李玉龙1， 刘达繁1， 茶映鹏2
(1. 南昌大学 机电工程学院江西省机器人及焊接自动化重点试验室，南昌 330031；2. 江西五十铃发动机有限公司，南昌 330200)
摘 要：针对超声波焊接过程中温度演化过程监测存在的困难，考虑焊接过程中塑性变形产热和高频摩擦产热，建立了三维超声波焊接热-结构耦合Ansys有限元模型，模拟了6061铝合金超声波金属焊接过程，计算了不同焊接参数下的温度场，用细丝热电偶测温试验验证了焊接温度. 结果表明，焊接过程中焊接区域最高温度模拟值与试验值误差在5%以内，表明了模型的准确性；温度最高处位于焊接区域中心位置，高温区随焊接时间的增大而增大；超声波金属焊接过程中，温度场主要受焊接压力及焊接时间的影响.
关键词：超声波金属焊接；有限元分析；塑性变形；铝合金；温度测试
超声波金属焊接有着独特的焊接特点，可焊接不同材质和厚度的金属箔、片和板材，焊接牢固可靠、节能、无污染，被广泛应用在工业各个领域[1]. 国内外学者对其也做了许多分析，然而关于超声波焊接接头的形成机理尚未形成一致的看法.
焊接过程中温度变化情况对探讨超声波焊接机理具有重要指导作用，却受到超声波焊接过程复杂，焊接时间短暂，试验过程难以监测的制约[2]. 因此，有必要采用数值模拟和试验相结合的方法进行分析. Elangovan等人[3,4] 分别建立二维模型模拟了铝合金的超声波金属焊接过程，分析了不同的焊接参数对焊接过程温度场和应力场的影响规律，结果表明，随着焊接静压力的增加金属材料的温度会随之下降. Zhang等人[5,6] 分别建立三维模型模拟了铝箔超声波滚焊过程的温度场和应力场，认为焊接过程中塑性变形产热和摩擦生热是焊接热量的主要来源；Yadav[7] 模拟了超声波焊接金属薄片的温度场，发现随着金属材料的剧烈塑性变形以及温度的增加，在焊接界面处金属原子会在空穴内进行扩散从而产生粘结. 林海雄等人[8] 分析了铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接温度试验，并用红外测温技术测量了焊接过程温度，但红外线在超声波焊接的一瞬间无法测量焊点中心温度，只能测得焊接区域周围的温度，会使结果产生很大误差；Cheng等人[9] 利用热电偶和热电堆组成微传感阵列仪，测量了镍和铜合金异种金属进行超声波点焊过程中的温度，结果表明，在试验过程中金属材料的温度大致在100～250 ℃左右.
文中综合考虑了超声波点焊的特点以及计算效率的要求，建立了1/4三维有限元模型，模拟计算了6061铝合金超声波点焊中的温度场，分析了不同焊接参数对焊接界面温度影响规律，采用细丝热电偶进行温度测试，验证了模拟结果，为超声波金属焊接技术分析提供了理论依据.
根据实体真实形状和尺寸建立三维模型，如图1所示，为简化模型，对模型作如下假设.(1)工件之间没有间隙(完全接触)；(2)在焊接最后时刻，焊极面积和塑性变形面积相等；(3)室温20 ℃，空气干燥、无灰尘、无腐蚀性气体；(4)铁砧、铝片及焊极相互之间没有相对滑动. 采用三维8节点热单元SOLID70进行温度场分析，铝片与焊极、铝片之间、铝片与铁砧为面面接触方式，其中接触面采用三维接触单元CONTA174，目标面采用三维目标单元TARGE170. 将塑性变形产热施加到焊接区域，摩擦产热施加到摩擦区域，在焊极、铁砧、铝片边界施加热对流. 如图1b所示，在铁砧的底端施加y轴方向的轴向约束Uy=0；对模型中焊极两个切面xOy和yOz)的所有节点施加x轴和z轴方向的位移约束Ux=0，Uz=0. 文中模拟及试验中焊极、铁砧、铝片物理参数来源于工程手册和资料[10,11].
图1 三维有限元模型(mm)
Fig.1 3-D Finite element model
2.1 塑性变形产热计算
塑性变形产热可按下式计算[5]，即
(1)
式中：PTotal为焊接功率；FW为焊接力；AW为焊接区域面积；Vavg为焊极的平均速度，Vavg=fWξ0；fW为振动频率；ξ0为焊极振幅.
(2)
式中：ReL为材料屈服强度；FN为静压力；ADZ为塑性变形区域面积.
将式(2)代入式(1)得
(3)
在焊接最后时刻，变形区域面积等同于焊接区域面积，即ADZ=AW，得
(4)
2.2 高频摩擦产热计算
因FFR =μFN，则高频摩擦产热[5]为
(5)
式中：μ为摩擦系数；PFR为摩擦所产生热功率；AFR为摩擦影响区面积. 因热量主要来于塑性变形和高频摩擦产热，故热流密度为Qhflux=QW+QFR.
2.3 焊接压力计算
超声波金属点焊机气缸压强范围为0～1.2 MPa，这里选择0.4，0.5，0.6，0.7 MPa四个压强值进行分析，则加载在工件上的静压力为
(6)
式中：Pq为气缸压强；Dq为气缸直径,这里的气缸直径为48 mm.
将气缸压强值分别代入式(6)中得各自产生的静压力为723.46，904.32，1 085.18，1 175.62 N. 由于焊点压强与焊点面积的乘积和气缸压强与气缸面积的乘积相等，焊点面积为0.4×10-4 m2，求得焊点的压强分别为18.0，22.5，27.0，31.7 MPa.
6061铝合金力学性能好、加工性能优良、抗腐蚀性极佳[12]，6061铝合金应用广泛，选其作为模拟材料. 超声波点焊过程温度变化受焊接时间、焊接压力、热对流、材料摩擦系数等影响，焊接时间和焊接压力是主要影响因素. 由式(3)可知，随着静压力的增大，热流密度逐渐降低，这说明焊接压力增大时会阻碍塑性变形的进一步产生，使得焊接过程试样的温升降低.
图2为焊接压力18 MPa时，不同焊接时间下温度场分布情况. 由图2可知，焊接过程最高温度随着焊接时间的增加而增大. 焊接热影响区高温部分集中在焊极下方塑性变形区. 当焊接时间为80 ms时，焊接过程中最高温度为234.7 ℃；当焊接时间为140 ms时，焊接过程最高温度可达307.7 ℃，达到了6061铝合金熔点[13](582～652 ℃)的52.3%. 受超声波点焊机功率限制，焊接时间太长会对接头质量造成一定的影响. 以下模拟均在焊接压力18 MPa、焊接时间120 ms条件下进行.
图2 不同焊接时间下的焊接温度场
Fig.2 Welding temperature distribution of welding zone under different welding time
图3为铝片结合处沿x轴方向的温度分布. 铝片界面中心温度达到最大值287.7 ℃，沿x轴方向的温差较大，由图3可见，焊接过程中在x轴方向上的热影响区[2](>100 ℃)长度约为5.7 mm.
图3 焊接界面铝片结合处沿x方向温度变化
Fig.3 Aluminum welding interface temperature changing with x-axis and y-axis positive direction
图4为沿铝片厚度方向的温度分布情况. 由图4可知，从焊接界面到上铝片顶面的温度差为27 ℃，其温度沿厚度方向先是较平缓的下降，接着随厚度增加，温度迅速降低，焊接过程中材料厚度对焊接质量有影响.
图4 焊接界面沿铝片厚度方向温度变化
Fig.4 Temperature changes along thickness of aluminum alloy welding interface
4.1 试验材料准备
6061铝片尺寸为60 mm×20 mm×0.3 mm. 超声波金属点焊机工作频率为20 kHz，振幅为35 μm，焊接压力和焊接时间均可调.采用的K型热电偶直径φ=0.05 mm，正负极型号分别为SPAL-005-50 和SPCH-005-50，这种热电偶测量精确、使用方便、价格便宜，量程为-150～1 370 ℃，精度是0.1 ℃，满足试验需求. 所用测温仪的型号为AL808，将K型热电偶接到测温仪上测温.
4.2 热电偶测温及结果分析
试验布置如下，将铝片表面用砂纸打磨后进行开口处理，再将细丝热电偶沿开口方向固定到铝片之间，测量时使焊极直接压到铝片上，同时记录下该过程中测温仪读数的最大值，这时所测的温度为焊接区最高温度. 再改变焊接时间，得到在不同参数下的焊接过程最高温度. 图5为测温位置示意图.
图5 铝合金超声波焊接的测温位置(mm)
Fig.5 Temperature measurement location of aluminum alloy ultrasonic welding
从测温结果图6可看出，试验与模拟的结果接近. 但还是存在误差，原因主要有以下几点. (1) 温度场的高温区域出现在焊极网纹上的微齿顶端微小区域，但热电偶的工作端不一定能与微齿接触，使得测温结果造成误差. (2) 在铝合金薄片的热电偶测试端存在开口，造成焊接区域热量散失，影响结果的准确性. (3) 在实际的超声波点焊焊接过程中焊接面积是随着温度的变化而有所改变，为了简化模型，将接触面的面积设置为不变的值.
图6 热电偶测温试验结果
Fig.6 Test results of thermocouple temperature measurement
(1) 模拟中焊接高温区主要分布在焊极下方塑性变形区域，在变形区域中心位置处温度最高，与试验结果一致.
(2) 模拟中最高焊接温度值约为6061铝合金熔点的30%～60%，且随焊接时间增加而增大，这与温度试验结果吻合.
(3) 模拟结果中焊接界面到上铝片顶面，温度逐渐降低，因此铝片不能太厚，因为受超声波焊接功率限制，焊接过程产生的热量有限，工件如果太厚，将达不到焊接所需要的温度而会影响接头性能.
(4) 焊接区域中焊极网纹上的微齿压入铝合金最深处温度最高，但此高温区域较小，在试验中应尽量使细丝热电偶贴近微齿下方.
参考文献：
[1] 李 东, 赵杨洋, 张延松. 焊接能量对铝/铜超声波焊接接头显微组织的影响[J]. 焊接学报, 2014, 35(2): 47-50. Li Dong, Zhao Yangyang, Zhang Yansong. Effect of welding energy on microstructures of the Al/Cu joints obtained by ultrasonic welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(2): 47-50.
[2] 曾 纯, 朱政强, 陈长青, 等. 超声波金属焊接过程中的的温度与应力分布[J]. 上海交通大学学报, 2010, 44(S1): 54-57. Zeng Chun, Zhu Zhengqiang, Chen Changqing, et al. Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University. 2010, 44(S1): 54-57.
[3] Elangovan S, Semeer S, Prakasan K. Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding—An FEA-based study[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(3): 1143-1150.
[4] De Vries E. Mechanics and mechanisms of ultrasonic metal welding[D]. Ohio: The Ohio State University, 2004.
[5] Zhang C S A M, Li L. A coupled thermal-mechanical analysis of ultrasonic bonding mechanism[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2009, 40(2): 196-207.
[6] Siddiq A, Ghassemieh E. Thermomechanical analyses of ultrasonic welding process using thermal and acoustic softening effects[J]. Mechanics of Materials, 2008, 40(12): 982-1000.
[7] Yadav S. Thermo-mechanical analysis of ultrasonic metal welding for rapid manufacturing[D]. Boston: Tufts University, 2001.
[8] 林海雄, 王 军, 万珍平. 铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接温度试验[J]. 焊接技术, 2012, 41(11): 8-12. Lin Haixiong, Wang Jun, Wan Zhenping. Experimentalstudy on ultrasonic welding temperature of aluminum sheet - copper tube solar collector[J]. Welding Technology, 2012, 41(11): 8-12.
[9] Cheng X, Li X. Investigation of heat generation in ultrasonic metal welding using micro sensor arrays[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17(2): 273-282.
[10] 马庆芳, 方荣生. 实用热物理性质手册[M]. 北京: 中国农业机械出版社, 1986.
[11] 中国金属学会， 中国有色金属学会. 金属材料物理性能手册(第一册)[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1987.
[12] 吴 影, 陈 辉, 苟国庆, 等. 高速列车用6061和7N01铝合金焊接接头断裂韧性分析[J]. 焊接学报, 2014, 35(9): 77-81. Wu Ying, Chen Hui, Gou Guoqing, et al. Fracture toughness of 6061 and 7N01 aluminum alloy welded joints for high-speed train [J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014,35 (9): 77-81.
[13] 尚淑珍, 路贵民, 赵祖欣. 6061铝合金半固态坏料部分重熔过程中的组织演变[J]. 机械工程材料, 2010, 34(2): 1-3,7. Shang Shuzhen, Lu Guimin, Zhao Zuxin. Microstructure evolution of semi-solid 6061 aluminium alloy billet during partial remelting[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2010, 34(2): 1-3,7.
收稿日期：2015-01-06
基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金；江西省自然科学基金资助项目(20132BAB206024)
作者简介：李玉龙，男，1978年出生，博士，教授，博士研究生导师. 主要从事钎焊、特种焊接及光纤传感等方向的研究. 发表论文60余篇. Email: liyulong@ncu.edu.cn
中图分类号：TG 453+.9
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2017)04-0013-04
联系客服
