作者：张毅
有研究发现，约75%的油耗与汽车自重有关，因此，汽车结构的优化与轻量化已成为汽车行业一大发展趋势。其中，铝合金轮毂由于其良好的刚性、弹性、散热性和轻便性正逐渐替代传统的钢制轮毂。搅拌摩擦焊接技术（简称FSW）是一种固相连接技术，现已发展成为铝合金等轻质合金材料首选连接技术之一，并成功地应用在本田、通用、福特、大众等品牌的汽车零部件制造中。同时，铝合金的搅拌摩擦焊接技术也受到科研机构和研究者的关注。中航工业北京赛福斯特技术有限公司成功实现了30 mm厚的简体结构的搅拌摩擦焊接，掌握了高强度铝合金筒体类结构件的制造工艺。软件实现了铝合金轮辋的制造工艺对成形过程影响的模拟，并与试验结果符合较好。软件建立了汽车用2219铝合金的搅拌摩擦焊接仿真模型，分析了FSW焊接温度场与残余应力的分布规律。软件模拟了汽车轮毂焊接过程的温度场分布，并通过试验验证了模型的有效性和可用性。依据FSW试验参数与条件，应用有限元方程模拟汽车轮毂FSW过程的热循环历程，并与试验结果中熔池和焊缝形貌进行对比，从而验证了模型的正确性。上述试验研究与数值计算都是基于传统热力学方程，对FSW焊接产热机制的分析不足，本课题根据能量守恒原理，通过微积分方程并考虑了功能转化的效率推导出轴肩与搅拌针作用域的产热方程，利用移动坐标系转换方法建立了搅拌摩擦焊接传热模型。
1 轮辋FSW计算模型建立
随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，尤其是材料加工过程中应用越来越广，一般来说，如铸造等通常都涉及温度场、流场、结构力学等多物理场相互强耦合的作用，其物理化学过程都不是单独存在的，存在多物理系统的耦合。一个完整、合理的有限元计算模型包括以下几部分：模型简化和假设、三维建模、材料属性的赋值、部件间接触关系及运动关系的定义、几何模型网格化、分析步设置及求解方法选择等。
1.1 轮辋几何模型与材料属性
图1为汽车轮辋三维模型，空间结构为关于轮辐中心对称的十轮辐结构，由于研究的重点是搅拌头附近区域的热传导问题，按图示虚线截取其对称结构，这大大简化了计算模型。轮辋材质是A356铝合金。表1为A356铝合金的热物性参数。
在此面积微元作用域上的摩擦力d f为：
根据能量守恒定律，搅拌头轴肩与焊件间约有90%的摩擦功会转化为热能，其余摩擦热以对流或热辐射的方式传递耗散。作用于轴肩作用区微元上单位时间内的热流密度d q f可表示为：
因此，作用在搅拌头轴肩与焊件接触表面上的总摩擦热量Qs为：
1.4模型网格化及求解器选择
由于该轮毂局部结构复杂，再加上其几何构型的不规则。基于上述原因，既考虑有限元模拟的精度又兼顾计算的效率，本研究采用自由四面体网格进行几何模型的网格划分，并在局部区域结合采取网格加密处理，图4是经网格化后的有限元网格模型。求解器采用UM-
FPACK求解器。
2 分析与讨论
搅拌摩擦焊接温度场可以作为焊接过程中所产生热能的量度，研究搅拌摩擦焊接温度场，以及工件中能量分布情况对了解和掌握搅拌摩擦焊接的热循环历程具有重要的意义。此外焊接温度场分布对于搅拌头工具的磨损和使用寿命等有直接影响，并最终影响焊件的焊接质量。
图5为搅拌摩擦焊接过程中轮辋的温度云图。可以看出，与搅拌头接触的焊材温度场呈圆环状分布，焊接温度由轴肩接触区域向四周焊材成椭圆状逐渐降低。在轴肩作用域前侧处温度略低于后侧处温度，这种现象主要是由二次预热造成的；轮辋热影响区( HAZ)的面积较大，这是由于轮辋材料为铝合金，其比热容与导热系数都较大，焊接热量传递速度快导致的。FSW焊接过程中轮毂的峰值温度约为840 K，低于轮辋母材的熔点，位于搅拌头后部4.6 mm的位置。以搅拌头前进方向为参考，焊接温度梯度呈现前大后小的分布特点，与试验测定的搅拌摩擦焊接温度分布规律类似，见图6。伴随着搅拌头的向前移动，当搅拌头到达轮辋中部时轮辋的高温区域（见图6中间亮色区域）面积较大，而在轮辋两端位置高温区域面积较小，这是因为轮辋两端的散热速度较快的缘故。
图7为轮辋焊缝形貌的模拟结果轮辋焊缝形貌试验结果对比。相同的FSW焊接工艺参数进行轮辋的焊接模拟，并与其试验结果对比可知，二者的焊缝形态都呈杯锥形状（出现这种焊缝结构的原因，搅拌头具有较大直径的轴肩，其作用于焊材上表面；搅拌针为圆锥形，作用于焊缝深度方向，这样工作的结果最终导致焊缝上表面较宽而下表面成圆锥形分布），且尺寸相差不大。通过对比，验证了FSW焊接模型的可靠性。
为分析焊接工艺参数对轮辋搅拌摩擦焊接温度场的影响，将焊接速度和下压量固定，采用不同的搅拌头转速进行轮辋的焊接模拟，获得了轮辋接合线处的温度分布曲线的仿真结果，见图9。由图9可以看出，随着转速从700 r／min提高到1 200 r／min，峰值温度从689K升高到742 K左右，接合线处的温度逐渐增加。究其缘由，由于搅拌摩擦焊接的主要热输入为搅拌头与焊材的摩擦热，焊接速率与下压力固定不变时，随着搅拌头转速提高，在单位时间内，搅拌头与焊材的摩擦剪切次数越多，随之产生的摩擦热量就增加了，最终导致焊材温度的升高。这种现象同时也可以从图9中看出，由图9前后缘温度曲线可知，当下压力与焊接速度一定时，搅拌头前后缘处轮辋温度随着转速的增加而增加，只是搅拌头前缘的温度随转速增加差异明显，而后缘的温度差异不大，但是变化趋势是一致的，并且搅拌头后缘的温度明显高于搅拌头前缘的温度。这是因为铝合金的导热系数较大，导热性好，热量传递速度快，导致焊缝以外的轮辋区域温度差异不大；而前后缘的温度差异原因还在于，搅拌头后缘处焊材受到前方搅拌头工作产生的摩擦热的二次加热。
3 结 论
(1) FSW焊接过程中轮毂的峰值温度约为840 K，位于搅拌头后部4.6 mm的位置。搅拌头接触的焊材温度场呈圆环状分布，焊接温度由轴肩接触区域向四周焊材成椭圆状降低。
(2)通过与相同焊接工艺参数下轮辋FSW焊缝轮廓形貌试验结果对比，验证了建立的搅拌摩擦焊接传热模型的有效性和准确性，可用于预测和优化轮辋搅拌摩擦焊接工艺参数。
(3)焊接速率与下压量一定的情况下，随着搅拌头转速的增加，轮辋接合线处的温度逐渐增加；搅拌头前后缘处轮辋温度随着转速增加而增加，只是搅拌头前缘的温度随转速增加差异明显，而后缘的温度差异不大，但是变化趋势是一致的。
4 摘要为模拟A356铝合金汽车轮辋的搅拌摩擦焊接，利用移动坐标系坐标转换方法，基于傅里叶定律定义了引入焊接速度项的热传导控制方程以降低建模难度。摩擦产热采用剪切摩擦模型，根据能量守恒定律，通过微积分方程并考虑了功能转化的效率，合理推导出轴肩与搅拌针作用域的产热公式，并根据轮辋对称结构简化计算模型，进而建立轮辋的搅拌摩擦焊接传热模型。通过相同焊接工艺条件下轮辋焊缝轮廓形貌模拟与试验结果对比，验证了建立的搅拌摩擦焊接传热模型的有效性和准确性，可用于优化轮辋焊接工艺参数和研究轮辋搅拌摩擦焊接机制。
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