搅拌头材质对搅拌摩擦焊温度场的影响
搅拌头尺寸对铝合金T型接头搅拌摩擦焊组织与性能的影响
搅拌头尺寸对铝合金T型接头搅拌摩擦焊组织与性能的影响屈志军;宫文彪;刘杰;李文晓【摘要】采用不同轴肩尺寸、搅拌针长度和顶端直径的搅拌头,对(4+8)mm板厚异质铝合金5083-O/6082-T6的T 型接头实施了搅拌摩擦焊接,对焊后接头力学性能进行了对比分析,试验结果表明,搅拌头尺寸设计对T型接头焊接质量有着重要的影响.在蒙皮板和筋板的搭接结合处存在明显的未焊合区、有效结合区和弱结合区;采用轴肩尺寸为20 mm、针长为6.0 mm及顶端直径为5.5~6.0 mm的搅拌头,在旋转速度为1200 r/min和焊接速度为500 mm/min的工艺条件下,T型接头沿T方向抗拉强度达到256 M Pa,断裂位置发生在后退侧热影响区;T型接头沿L方向抗拉强度达到105 M Pa,断裂位置发生在搭接结合区.%A stirring head with different shoulder size,needle length and top diameter is applied to friction stir welding for the 4+ 8 mm dissimilar aluminum alloy plate 5083-O/6082-T6 T-joints,to analyze the mechanical properties of welded joints.The experimental results show that stirring head size design has an important influence on the welding quality of T-joint.There are obvious unbonded area,effective bonding area and weak bonding area in the overlapping joint between the skin plate and the rib plate.Under the conditions of the stirring head with shaft shoulder size 20 mm,needle length 6.0 mm and top diameter 5.5~6.0 mm,the joint strength of T direction is up to 285 MPa and the fracture occurs at the reverse side heat affected zone;the joint strength of L direction reached 105 MPa and the fracture occurs at bonding area of lap position,while the rotational speed is 1 200 r/min and welding speed 500 mm/min.【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】搅拌摩擦焊;搅拌头;T型接头;组织性能【作者】屈志军;宫文彪;刘杰;李文晓【作者单位】中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春 130062;长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春 130012;中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062;航天工程装备(苏州)有限公司,江苏苏州100145【正文语种】中文【中图分类】TG146.210 引言搅拌摩擦焊技术凭借高质、高效、节能及环保的独特优势，自1991年发明以来，历经20多年的技术研发和工程化推广，已经在国内外各个领域得到了广泛应用。
搅拌摩擦焊接过程搅拌头几何对搅拌头 受力的影响
围环境温度为 20℃；在焊接过程中，搅拌头、板材与四周环境之间会通过接触散热、辐射散热以及对流 散热等方式进行热量交换，热交换系数为 20 W/m2/℃；板材和搅拌头之间进行接触传热，传热系数为 22,000 W/m2/℃，板材和搅拌头初始温度均为 20℃；焊接过程中，搅拌头和板材的摩擦为主要产热热源，
尽管众多学者对 FSW 过程中搅拌头受力从实验和模拟两种途径进行了诸多研究工作，但是对搅拌头 几何特征对其受力影响的考虑仍然不够充分，有待深入研究。本文基于 DEFORM-3D 软件，建立 AZ91 镁合金板材全热力耦合有限元模型，研究了搅拌头轴肩凹角、搅拌针锥角对搅拌头受力的影响。此外， 还讨论了搅拌头受力随搅拌头焊速和转速而变化的规律。
2. 模型介绍
2.1. 有限元模型
搅拌头几何如图 1 所示，1 号搅拌头为平轴肩–圆柱针，2 号为平轴肩–圆台针，3 号凹轴肩–圆柱针。 不同搅拌头的具体几何尺寸见表 1。搅拌头材料为 H-13 工具钢，模拟过程中定义成可进行热传导的 刚体, 热容为 4.5 N/mm2/℃，热导率为 24.5 W/m/℃。搅拌头整体网格尺寸为 1.5 mm，并对搅拌针进行局 部网格细化，细化网格尺寸为 0.6 mm。在搅拌摩擦焊中板材弹性变形可以忽略不计，并且高温状态下铝 合金具有一定的粘性，故将其定义为刚粘塑性体。板材尺寸为 80 mm × 40 mm × 5 mm。整体网格划分为
图 4 为模拟得到的搅拌头轴向力与文献[10]中的实验结果对比图，可知搅拌头受力值和实验值吻合良 好，证明了模拟的合理性。
Figure 4. Comparison of tool force in axial direction between simulation and experiment 图 4. 搅拌头受到的轴向力数值和试验对比
温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响
曲线 ②所示 。在焊接结束前 , 由于搅拌头逐渐靠近材 料的边缘 , 材料的散热面积相对减小 , 这样就使得热 输出总量较焊接稳定区有所减少 , 而使焊接稳定阶段 的热平衡被改变 , 由于热量积累而出现了在材料末端 温度升高的现象 , 如 2图中曲线 ③所示 。根据表 1列 出的不同焊接参数下各点的峰值温度可以看出 , 当焊 接速度一定时 , 随着搅拌头旋转速度的增加 , 同一位 置特征点温度峰值有上升的趋势 ; 当搅拌头旋转速度 一定时 , 随着焊接速度的增加 , 同一位置特征点温度 峰值有明显的下降趋势 。
88
润滑与密封
总第 179期
焊接参数见表 1。3 个特征点位于材料旋入侧 (搅拌 头旋转方向与焊接方向相同 ) , 距上表面 115 mm。1 点在焊接初始端 , 2 点在焊接稳定区 , 3 点在焊接结 束端 , 为防止搅拌头破坏热电偶 , 各特征点均距焊缝 中心 12 mm。
磨损试样均沿焊缝长度方向截取 , 取样顺序沿搅 拌头行进方向 , 依次编号为 1#试样 、 2#试样 、 3#试 样 。摩擦 磨 损 的 试 样 尺 寸 为 57 mm ×2512 mm ×4 mm。磨损试验示意图如图 2所示 。
搅拌头及工艺参数对厚板7050铝合金搅拌摩擦焊成形的影响
１ 实 验 材 料 及 方 法
１１ 实 验 材 料 ， 称 化 标
学 成 分 见 表 Ｉ 其 金 相 组 织 如 图 ｌ所 示 ，０ ０铝 合 金 。 ７５
晶粒 比较 粗 大 ， 粒 尺 寸 约 Ⅱ ｍ ２ｍｍ ， 要 强 化 相 晶 为 ０ ． 主
ａ搅拌头 Ｉ
为 １（ Ｚ ：、（１ ｎ） ＳＡ ２ｕ ｇ相 。 １Ｍｇ ｎ）ＴＡ２ Ｍｇ ３ 和 （１ Ｍ ） Ｃ
２ ７ ７ Ｏ ２ ２
表 １ ７ ５ ５ 合 ５ 化 学 成 分 ０ ０铝 金 Ｏ
Ｔａｂ． Ｃ ｈ ｍ ｉａ ｏ ｐ ｉｉ ０ １ ｅ ｃ ｌｃ ｍ ｏｓｔｏｎ ｏｆ７ ５０ ％
１ ＃
２ 样
．
９． ５０
７． ５０
． ．丝塑 一 。 一 一
飞 边 、 槽 、 道 沟 隧
隧 道
１１ Ｏ ８
１ ８Ｏ —１
流 动 ， 定 了 搅 拌 摩 擦 焊 接 头 的 机 械 性 能 ， 于 搅 决 对
拌 摩 擦 焊 能 否 在 更 大 范 围 内 的 应 用 有 着 决 定 性 的 作 用 。 验 初 步 采 用 １ ｒ ８ ｉＴ 不 锈 钢 作 为 搅 拌 试 Ｃ １Ｎ９ ｉ
３ 嚣
１ｌ０ ８
３． ００ ３． Ｏ０ ４． ７ ５ ６． ０ ０
飞 边 、 槽 、 道 沟 隧 飞 边 、 槽 、 道 沟 隧 飞 边 、 道 隧 飞 边 、 槽 、 道 沟 隧
４ ＃
５ ＃
６ 襻
１５ ０ ０
７０ ５
９５ ０
头材 料 。 据文献 ［ （ 拌针直 径 为： 根 ４搅 】 件厚 度 的 ０ ～ ． ９
焊接工艺
罗贤道等 ： 搅拌头及丁艺参数对厚板 ７ ５ ０ ０铝合金搅拌摩擦焊成形 的影响
搅拌工具尺寸和工艺参数对塑料搅拌摩擦焊焊缝质量的影响
度 。焊缝质量与焊接温度之间有着密切的关系 ,尤其
是塑料焊接时 ,温度过低会焊合不良 ,温度过高又会出
现烧焦现象 。
搅拌摩擦焊过程达到稳定状态后 ,焊接温度 T 的
表达式 [ 6 ]为
T
= T0
+
μω 60π
(
6 cpρp
6 Fx lvd3
d3 +
+ 8πFz
6λp ld3 Δr
d2
+
3λs d21 Δz
25
焊合 ,但成形不良 ,表面粗糙 ,不饱满
25
焊合 ,但成形不良 ,表面粗糙 ,有浮渣
36
焊合 , 但成形不良 ,表面粗糙 ,
36
焊合 ,成形较好
25
部分焊合
25
焊合 , 成形较好 ,但焊缝中间有凹陷
36
部分焊合 ,有烧焦现象
36
焊合 ,但成形不良 ,焊缝一侧外溢
25
部分焊合
25
部分焊合
36
部分焊合
Abstract The experiments of p lastics FSW with different dimensional stir tools were carried out. The tests showed that a full and smooth joint can be obtained w ith 30 mm in shoulder diameter, 10 mm in p in diameter, 1660 r/m in in rota2 tion speed and 25 mm /m in in welding speed. The welding temperature was directly p roportional to rotation speed. The effect of welding speed was comp lex, increasing welding speed reduced the heat input and increased the normal force Fx acting on the p in, friction heat power and welding temperature. The diameter of tool shoulder can affect the friction heat power between the shoulder and the welded surface, increasing the diameter of tool shoulder can increase the welding tem2 perature and be helpful for the overflow and sp lash of the welding material. The effect of p in diameter is comp licated, in2 creasing the diameter increases the relative sliding speed between the p in and the welded material, which leads to the in2 creasing of the welding temperature, meanwhile increasing the diameter increases the endotherm power and the area for heat transfer, which reduces the welding temperature.
搅拌头形状对搅拌头受力和温度的影响
擦焊的发展． 王大勇等［ ］ “ 分别用柱状和锥状光 面搅
拌头对搅拌摩擦焊接 Ａ － ｉ １ 合金接头 的组织及力学 Ｌ
性 能做 了研究 ． ｕｆ 等 ［基 于 Ｆ Ｍ 模 型 对搅 拌 头 Ｂｆ ａ ５ ］ Ｅ 进 行设计 ， 指 出搅 拌 头 几 何形 状 对 得 到满 意 的焊 并
缝和热影响区微观组织 ， 从而改善接头的强度和抗
搅拌头形状选择平面、 凹面轴肩配合圆柱、 圆台搅拌 针， 搅拌 头形状设 计 如 图 １所示 ， 拌 头尺寸组 合见 搅 表 ２搅拌针长度统一为 ４ ６ｍ 焊接参数为转速 ， ． ｍ． ６ ０ｒ ｒｉ ， ３ ／ ｎ 焊速 ７ ｍ／ ｉ， ａ ０ｒ ｒ ｎ 下压 速度 ４ｍｍ／ ｎ ａ ａ ｍｉ， 预 热保 持 ５Ｓ压 人量 ０ ３ｍｍ． 度 检测 采 用 雷 泰 ， ． 温
基盒项甚：国家 自然科学基金 （０ ０ ０ ７ Ａ ２ ３６ １９２４／ ０ ０１） 作者筒介： 张忠科（ ９８） 男 ， １ ７一 ， 山东济南人 ， 博士生．
疲劳性能起到至关重要的作用． ｓ ｆ 等［ 研究 Ｍｕｔ ａ ６ ａ ］ 了不 同几何形状 的搅拌头对 ２ １ 和 １ １ 铝合金搅 ０４ ０８
拌摩擦焊的关键 ， 其形状尺寸对焊接过程产生重要 影响， 决定 着搅 拌摩擦 焊过 程产热 多少 、 材料流 动形
式 和焊接 质量 等．
和研究． 搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊工件之 间发生热一 力作 用并形 成接 头 ， 在搅 拌摩 擦焊 过 程 中 搅拌头直接承受热载、 力载及摩擦磨损， 因而要求它 在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、 强度 、 硬度
搅拌头几何参数及倾角对搅拌摩擦r焊接质量影响的数值分析
搅拌头几何参数及倾角对搅拌摩擦r焊接质量影响的数值分析李程锦;王陆钊;刘其鹏;杨鑫华【摘要】基于ABAQUS有限元软件,建立铝合金搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,分析了搅拌头形状尺寸以及焊接倾角对焊接质量的影响.结果表明,与无焊接倾角和轴肩凹角的搅拌头相比,采用2°焊接倾角和80.5°轴肩凹角的搅拌头焊接时,热塑性材料流动性更好,焊缝成型质量更好;圆锥形搅拌针焊接质量要好于圆柱形搅拌针;焊接缺陷的产生主要是由于在焊接过程中热输入不足,前进侧达到热塑性流动的材料不足造成.%A fully coupled thermo-mechanical model of friction stir welding process of aluminum alloy was es-tablished by ABAQUS,and the effect of tool shape and size,as well as welding tilted angle on welding quality was studied. The results show that when the welding tilted angle of 2° and the shoulder concave angle of 80. 5° are adopted,the welding quality is better than the process without tilted angle and shoulder concave angle. In addition,the conical pin has a larger effect of friction stir on aluminum alloy,and its welding quality is better than using cylindrical pin. The main reasons of welding defects are that the heat input is insufficient in welding process,and the thermoplastic flow of material on the advancing side is shortage.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】5页(P70-74)【关键词】搅拌摩擦焊;搅拌头;焊接倾角;焊接质量【作者】李程锦;王陆钊;刘其鹏;杨鑫华【作者单位】大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连 116028;大连市轨道交通装备焊接结构与智能制造技术重点实验室,辽宁大连116028;中车唐山机车车辆有限公司制造技术中心,河北唐山 063035;大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连 116028;大连市轨道交通装备焊接结构与智能制造技术重点实验室,辽宁大连116028;大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连 116028;大连市轨道交通装备焊接结构与智能制造技术重点实验室,辽宁大连116028【正文语种】中文搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一项先进的固相焊接技术[1]，与传统熔化焊相比，FSW焊后变形小、生产率高、易实现自动化等优点[2]. FSW工艺参数对焊接质量影响甚大，选择不当，会在焊缝表面及内部出现孔洞、未焊合、飞边和沟槽等焊接缺陷，影响接头强度、可靠性及使用寿命. 为了弄清楚焊接缺陷产生的原因，很多学者做了大量试验研究. 刘会杰等[3]对常见的焊接缺陷展开研究，得出孔洞、未焊合、飞边和沟槽等焊接缺陷的产生主要因为在搅拌头的作用下，焊缝处金属经历了复杂的热机响应过程，过热或者塑性流动不足造成. 戴启雷等[4]研究了焊接速度对接头根部缺陷的影响，结果表明：当搅拌头转速一定时，接头根部未焊透倾向随焊接速度的增加而增大. 张昭等人[5]采用数值模拟方法，进一步研究了不同搅拌头尺寸和搅拌针形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响. 王陆钊等[6]利用全热力耦合方法，得出焊接过程中铝合金充分热塑性流动是形成致密焊缝的必要条件.基于此前学者的研究成果，本文以热弹塑性有限元理论为基础，利用ABAQUS有限元软件建立固体力学范畴内的搅拌摩擦焊接完全热力耦合模型，进一步分析不同搅拌头焊接倾角、轴肩内凹角及搅拌针几何形状对6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接质量的影响.1.1 基于ALE的有限元网格建模搅拌头采用解析刚体，共计算四种搅拌头，具体尺寸见表1.轴肩端部带有1 mm倒角，以避免计算过程中边缘处产生较大的应力集中而导致网格畸变，焊接过程如图1所示，采用恒压下量控制.焊件几何尺寸为40 mm×40 mm×3 mm，在焊件上预设有直径为3 mm的孔洞，用以模拟稳定焊接阶段. 利用ABAQUS的MESH模块对几何模型进行网格划分，如图1所示. 单元类型为八节点六面体、位移-温度耦合、线性实体减缩积分(C3D8RT)单元，最小单元尺寸为0.18 mm×0.35 mm×0.3 mm，厚度方向划分十层单元，共划分22 280个单元，25 322个节点.搅拌摩擦焊接仿真过程中，搅拌头的旋转及移动会对焊件网格造成过度扭曲，本文采用ALE自适应网格技术. ABAQUS提供的ALE自适应网格有三种边界：拉格朗日边界，滑移边界和欧拉边界. 拉格朗日边界上网格节点即是材料物质点，能够真实的反映材料的运动情况，但模拟搅拌头周围材料的流动情况会造成网格畸变；滑移边界上，在滑移面的切线方向上，网格节点与材料物质点脱离，材料在网格间任意流动而网格节点保持不动，在滑移面的法线方向上，网格节点跟随材料物质点运动而运动，能够真实的反映材料外表面法向的运动情况；欧拉边界能够实现欧拉面上网格节点与材料物质点的运动分离，可用于模拟材料流入、流出网格，并且新流入的材料属性及单元属性与初始状态相同.本文采用滑移边界和欧拉边界，如图1所示，滑移边界用来模拟搅拌摩擦焊复杂的接触状态，欧拉边界用来等效稳定焊接时搅拌头的前进焊接.1.2 材料模型焊接仿真过程中，材料的热物理性能等对温度场及应力场的分布结果有着十分重要的影响.本文针对6082-T6可热处理强化铝合金薄板展开研究，并采用与应变率相关的Johnson-Cook本构方程对其材料建模[7].Johson-Cook材料模型表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化，应变率硬化和温度软化，其流动应力表达式为：式中,σe为Von Mises等效屈服应力；为等效塑性应变；为相对等效塑性应变率，通常取；T*m=(T-Tr)/(Tm-Tr)为无量纲温度，其中Tm、Tr为材料的熔点和室温，Tm=582℃,Tr=20℃；A为材料的屈服应力，A=285 MPa；B为应变硬化因数，B=94 MPa；C为应变率敏感指数，C=0.002；m为温度软化指数，m=1.34；n为加工硬化指数，n=0.41.1.3 稳定极限和质量放大全热力耦合模型涉及应力应变场和温度场间强烈的相互作用，此耦合下的计算量规模过大，为了缩短求解时间需要预先估算增量步的最大时间步长，并据选取适当的质量放大倍数. 本文根据应力波在材料中的传播速度及特征单元估算稳定极限，定义如下：式中,Δtstabl e为力学计算稳定极限；Lmin为网格模型中最小单元长度；Cd为材料的纵波波速；E为材料的弹性模量；ν为材料的泊松比；ρ为材料的密度. 本文质量放大系数为1E6，最小增量步长由10E- 8 s增加到10E- 5 s，计算速度提高1 000倍.1.4 接触模型由于模拟理想的摩擦行为非常困难，本文计算中采用罚接触算法，接触的切向行为采用经典的Coulomb摩擦定律描述，法向压力取决于求解的变量，Schmidt等[8]采用的此种接触模型，经典Coulomb摩擦定律为：式中,μ为摩擦系数，本文取0.3；p为搅拌头与焊件接触面间压力(MPa)，在求解过程中取决于计算结果.1.5 边界条件1.5.1 位移边界条件如图1所示，对铝合金焊件底面施加沿Z轴方向的位移约束用以等效下垫板的法向支撑作用；对焊件平行于焊接方向的两个侧面施加Y轴方向的位移约束，用以等效侧面夹具的固定作用；在搅拌头下压阶段和焊前停留预热阶段，约束流入、流出面X轴方向的位移，在稳定焊接阶段，释放流入、流出面X轴方向的位移约束，并设置焊件的流入面沿X轴负向的流入速度，以等效搅拌头的前进焊接.1.5.2 热边界条件在实际搅拌摩擦焊过程中，铝合金焊件与工装夹具和周围环境存在热交换的问题，将焊件与工装夹具及空气间的热交换等效为对工件设置相应的间隙热交换系数，其中底面的热传导系数为1 000 W/m2K，上表面和侧面的热传导系数为100W/m2K，流入材料温度恒为20℃.2.1 工况(一)模拟结果采用工况(一)焊接5 s时的温度场结果如图2(a)所示. 稳定焊接时，在厚度方向上材料的温度场分布呈碗形，轴肩内材料温度较均匀，上表面温度略高于下表面温度，温差约为30℃，说明轴肩产热量大于搅拌针产热量；材料的最高温度位于轴肩根部，为571.6℃，小于熔点582℃，而轴肩范围以外温度迅速降至466℃以下(熔点的80%)，说明热输入主要来自于轴肩.由图2(b)焊接5 s时等效塑性应变场可知，轴肩内材料在搅拌头的作用下发生剧烈的塑性变形，随着厚度的增加，等效塑性应变逐渐减小，这说明焊缝中上部的成型受轴肩和搅拌针共同作用，焊缝中下部的成型主要取决于搅拌针的搅拌作用，并且随着板厚的增加而减弱. 由图2(c)焊接5 s时速度场可知，热塑性材料的线速度随轴肩半径的增加而增加，并且因焊接倾角的存在，使搅拌头倾斜侧材料所受压力较大，所以线速度的最大值位于轴肩后沿处；在板厚方向上，线速度随板厚的增加而减小，并且发生热塑性流动材料的分布与轴肩和搅拌针几何形状相一致，结合温度场结果可知，焊核处的高温区域是材料热塑性流动的保证，温度越高，达到热塑性材料越多、流动越充分，焊缝内部越不易产生缺陷.2.2 其余三种工况模拟结果采用表1中2～4号工况焊接工艺参数，分别是无焊接倾角、无轴肩凹角及柱形针的模拟结果. 图3(a)为工况(二)无焊接倾角焊接3.3 s时的等效塑性应变(PEEQ)云图，在焊件近下表面处产生明显的焊接缺陷，这是因为当搅拌头垂直压入焊接时，轴肩后沿对材料顶锻压力减弱使摩擦力减小、热输入减少，温度场如图3(b)所示，焊核处温度场分布不均匀，使前进侧中下部材料未发生热塑性流动，速度场如图3(c)所示，因此造成流动材料不足，在搅拌头后方留下的空穴未能及时填充而产生焊接缺陷，这与严铿等[9]观察LF5铝合金FSW接头金相得到的结论相符.图4(a)为工况(三)去除轴肩内凹角后焊接2.3 s时PEEQ云图，在焊件中下部产生焊接缺陷. 相比于带有轴肩内凹角，当轴肩变为平台后，对塑性流动材料的聚拢性减弱使轴肩对材料的压力减小，热输入减少，温度场如图4(b)所示，进而造成焊核区下表面前进侧材料未发生热塑性流动，速度场如图4(c)所示，产生焊接缺陷，与张忠科等[10]通过实验得到轴肩形状对金属流动的影响规律相同.图5(a)为工况(四)采用圆柱形搅拌针焊接5 s时等效塑性应变云图，与比图2(b)对比可知，由柱形针焊接的焊缝等效塑性应变均匀性要略差于锥形针，并且PPEQ的最大值小于锥形针，这说明锥形针焊缝成型质量更好、焊缝更致密；由温度场图5(b)与图2(a)对比可知，柱形针焊接的温度场分布与锥形针焊接的温度场分布相一致且均匀，温度的最大值为567.9℃，略小于锥形针的571.6℃；由速度场图5(c)与图2(c)对比可知，采用柱形针焊接，材料的线速度数值整体上要小于锥形针，结合温度场对比结果，也可说明材料的热塑性流动性与温度密切相关.此外,王希靖等[11]研究报道也说明了搅拌针对焊接质量有重要影响.本文采用ABAQUS通用有限元分析软件，对6082-T6铝合金进行完全热力耦合仿真分析，得到以下结论：(1)在沿焊缝的横截面上温度场的分布为碗形，内凹型轴肩产热大于平台型轴肩，锥形针产热大于柱形针；(2)相同工艺条件下，搅拌头的焊接倾角，使轴肩对搅拌头后对方材料的顶锻压力更大，更有利于金属的热塑性流动，焊缝成型更致密，焊接质量更好；(3)相同工艺条件下，内凹型轴肩对热塑性材料的聚拢性更好，与金属的摩擦面积更大，更有利于金属流动；(4)相同工艺条件下，锥形搅拌针对金属的搅拌摩擦效果更好，焊缝的等效塑性应变更均匀，焊接时材料的线速度更大，焊缝成型质量更好；(5)典型的孔洞、根部未焊合等缺陷易在焊缝前进侧、中下部位产生，其原因主要是因为在焊接过程中热输入不足，前进侧达到热塑性流动的材料不足，未能及时填补搅拌头后方的空穴造成.【相关文献】[1]THOMAS W M,NICHOLAS E D,NEEDHAM J C.Friction Stir Welding:UK，9125978.8[P].1991.[2]杨鑫华,郭太金,许永辉,等.铝合金货车侧墙多道焊变形预测[J].大连交通大学学报,2014,35(1):81- 85.[3]刘会杰,潘庆,孔庆伟,等.搅拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接,2007(2):17- 21．[4]戴启雷,王秀义,侯振国,等.焊接速度对AA6082搅拌摩擦焊接头根部缺陷及性能的影响[J].焊接学报,2015，36(8):27- 30．[5]张昭,刘会杰.搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响[J].焊接学报,2011，32(3):5- 8.[6]王陆钊,侯振国,陈晓霞,等.铝合金搅拌摩擦焊完全热力耦合数值模拟[J].金属加工(冷加工),2016(S1):690- 692.[7]DAN B,SCUTELNICU E,VISAN D.Behaviour Simulation of Aluminium Alloy 6082-T6 during Friction Stir Welding and Tungsten Inert Gas Welding[J].Recent Advances in Manufacturing Enginering,2011(8):103- 108.[8]SCHMIDT H,HATTEL J.A local model for the thermomechanical conditions in friction stir welding[J].Modelling & Simulation in Materials Science & Engineering,2005，13(1):77- 93.[9]严铿,曹亮,陈华斌.搅拌头倾角对FSW成形和接头力学性能的影响[J].焊接学报,2005,26(12):35- 38.[10]张忠科,王希靖.搅拌头形状对搅拌头受力和温度的影响[J].兰州理工大学学报，2010,36(4):17- 20.[11]王希靖,李晶,达朝炳,等.FSW中搅拌针作用力及其影响的研究[J].兰州理工大学学报，2006,32(1):11- 14.。
搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊试板温度场的影响
段， 试 板 温 度 与搅 拌 针 的几 何 特 征 及 其 作 用 下 焊 缝 金 属 的 塑 性 流 动 有 关 。 采 用 圆 台 形 搅 拌 针 时 焊 接 试 板 温 度 最 高， 采 用 圆 柱形 搅 拌 针 时试 板 温度 次 之 ， 采 用 螺 纹 形 搅 拌 针 时 试 板 温 度 最 低 。通 过 对 采 用 圆 柱 形 搅 拌 针 时垂 直 于 焊 缝 方 向上 焊 接 试 板 温 度 数 据 的 回归 分 析 ， 得 到 了焊 接 试 板 宽 度 方 向温 度 分 布 的 二 次 解 析 式 。 关键词 ： 搅拌摩擦焊 ； 搅拌头几何特征 ； 温 度 场
特别对 于 阐述焊接 接 头组织 的变 化规律 具有 重要 意
义， 因此 ， 受 到 国内外 研 究者 的广泛 关 注 。 目前 ， 其
研究 主 要 集 中在 搅 拌 摩 擦 焊 接 的 热 源 模 型 的 建 立 圳 焊接过 程 温 度 场 的数 值 模 拟 他 ］ ， 以及 温
，
焊 接试 验 使 用 Ｆ Ｓ Ｗ． ３ Ｌ Ｍ－ ０ ０ ２型龙 门式 数 控 搅
李敬 勇 ， 亢晓亮 ， 赵 阳阳
（ 江 苏 科 技 大学 先 进 焊 接技 术 省 级 重 点 实 验 室 ， 江苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
摘要 ： 通 过 实 验 测 量 了 不 同 类 型 搅 拌 头 条 件下 铝合 金 焊 接 试 板 特 征 点 的温 度 曲 线 ， 分 析 了 搅 拌 头 轴 肩 尺 寸 和 搅 拌
尺寸不 仅决定 着 焊接 过 程 的 热输 入 方 式 ， 还 影 响着 焊接 过 程 中 搅 拌 头 附 近 塑 态 软 化 材 料 的 流 动 形 式 ， 也 就是 说 ， 搅 拌 头 的 几 何 特 征 不 仅 对 搅 拌 摩 擦焊 过程 中的温度 场 分 布 ， 而且 对 焊 缝 的 形态 等 均
《AL5754铝合金的搅拌摩擦焊拉伸性能和温度场研究》范文
《AL5754铝合金的搅拌摩擦焊拉伸性能和温度场研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，铝合金因其轻质、高强度、良好的耐腐蚀性等特性，在航空、汽车、轨道交通等领域得到了广泛应用。
AL5754铝合金作为其中的一种典型代表，其焊接性能的优劣直接关系到构件的使用性能。
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作为一种固相连接技术，因其独特的焊接原理和优良的焊接质量，在铝合金的连接中得到了广泛的应用。
本文旨在研究AL5754铝合金的搅拌摩擦焊接头的拉伸性能及焊接过程中的温度场变化，为实际生产提供理论依据和指导。
二、搅拌摩擦焊工艺及材料准备搅拌摩擦焊是一种通过摩擦热和塑性变形热使工件连接的技术。
本文采用AL5754铝合金作为研究对象，对其进行搅拌摩擦焊接。
在焊接前，对材料进行严格的准备，包括材料的选取、表面处理、焊接参数的设定等。
通过合理的工艺参数设置，保证焊接过程的稳定性和焊接接头的质量。
三、搅拌摩擦焊接头的拉伸性能研究1. 拉伸试验方法采用标准的拉伸试验方法对搅拌摩擦焊接头进行测试，通过测量拉伸过程中的应力-应变曲线，了解接头的强度、延伸率等力学性能。
同时，通过对比不同工艺参数下接头的拉伸性能，找出最佳焊接工艺。
2. 拉伸性能结果分析通过分析发现，AL5754铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸性能受到焊接工艺参数的影响。
适当的焊接速度和下压力能够获得较高的接头强度和延伸率。
而过高的焊接速度或过大的下压力会导致接头强度降低，甚至出现裂纹等缺陷。
因此，在实际生产中，需要根据具体的材料和厚度选择合适的工艺参数。
四、搅拌摩擦焊温度场研究1. 温度场测量方法采用热电偶或红外测温仪等设备对搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行测量。
通过测量不同位置、不同时间的温度变化，了解焊接过程中的温度分布和变化规律。
2. 温度场结果分析研究发现，搅拌摩擦焊接过程中的温度场分布受到多种因素的影响，包括焊接速度、下压力、材料厚度等。
材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响
在采用了自主设计的同种和异种材料搅拌摩擦焊对 接试验以后，分析总结了材料性能与搅拌摩擦焊焊缝成形 之间的因果关系，主要研究了搅拌头旋转速度对焊缝成形 的影响，焊接速度对焊缝成形的影响，不同性能的同种材 料时接头抗拉强度与工艺参数的关系，被焊母材性能与焊 核尺寸的关系，以及同种材料的不同材料状态，在焊缝横 截面上表现出的不同形貌的原因关系。
Internal Combustion Engine & Parts
Байду номын сангаас
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材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响
李瑞淤曰刘红梅于
（淤中信戴卡股份有限公司，秦皇岛 066001；于秦皇岛技师学院，秦皇岛 066001）
摘要院近年来，随着汽车行业的蓬勃发展，车身轻量化也成为了行业前进中的一个重要方向。在这个过程中，铝合金以其独有的综 合优势成为了最重要的轻量化使用材料。在车身覆盖件及汽车底盘、内饰零部件中，各种牌号的铝锻件、铝铸件、铝型材等已被广泛运 用。因此，对同种牌号及不同牌号铝合金材料间的搅拌摩擦焊进行研究具有重要的意义。本文根据 1060 纯铝、5A06 和 7075 铝合金进 行的同种和异种材料搅拌摩擦焊对接的实验结果，分析讨论在是否不同的材料性能可以在采用搅拌摩擦焊后，焊缝成形不同。
综上所述，被焊材料的材料性能是影响焊接时金属流 动情况的直接因素之一，因此，被焊材料的材料性能是会 对焊缝成形产生影响。从结果来看，金属材料的性能不同， 焊缝周围的金属对焊缝塑性金属的变形抗力也会随之改
搅拌摩擦焊原理及其产热特点
搅拌摩擦焊原理及其产热特点搅拌摩擦焊，这可是个挺有趣的焊接技术呢。
咱们先得知道它是怎么一回事儿。
这就好比是在做面条的时候，有一根特制的擀面杖，在面团里不停地搅和。
搅拌摩擦焊呢，就是有个特殊的搅拌头，在两块要焊接的材料之间转动、摩擦。
这个搅拌头啊，就像是一个勤劳的小蜜蜂，在材料之间钻来钻去。
它一边旋转，一边沿着焊接的缝儿往前走。
这两块材料呢，就像两个小伙伴，本来是分开的，现在被这个小蜜蜂一样的搅拌头给弄在一起啦。
那搅拌摩擦焊的产热特点可就更有意思了。
你想啊，当这个搅拌头在材料里面转的时候，就像咱们冬天搓手取暖一样。
咱们的手相互摩擦就会发热，搅拌头和材料之间的摩擦也是这个道理。
只不过，这个热可不像咱们搓手那么简单。
它产生的热量是很集中的，就像聚光灯打在舞台上的一个小角落一样。
这种产热方式啊，和传统的焊接可不一样。
传统焊接有时候就像在野外生火，火到处乱窜，热量也散得到处都是。
搅拌摩擦焊的热就规规矩矩地在搅拌头和材料接触的地方产生。
这就好比是在一个小房间里开了个小暖炉，暖炉的热就集中在这个小房间里，不会到处乱跑。
再说说这个热量的大小吧。
它就像是厨师做菜的时候掌握火候一样。
搅拌摩擦焊产生的热量是刚刚好能让材料软下来，能够融合在一起。
不会像有些焊接方法，热太多了，把材料都烧坏了，就像烤焦的面包，黑乎乎的，没法吃了。
也不会像热不够的时候，材料就像两个不熟的朋友，只是表面碰了碰，里面还是各干各的，根本没融合好。
从这个产热的速度来看呢，搅拌摩擦焊就像是短跑运动员起跑一样，很快就能达到需要的热量。
这就保证了焊接的效率。
而且啊，这个热量在整个焊接过程中是比较稳定的。
不像有些焊接，一会儿热一会儿冷，就像那调皮的小孩，一会儿安静一会儿吵闹，这样焊接出来的东西质量肯定不好。
搅拌摩擦焊的这种产热特点，在实际应用中可太有用了。
比如说在汽车制造上，汽车的很多部件都需要焊接。
如果用传统焊接，可能就会有很多问题，像是焊接处不牢固啦，外观不好看啦。
搅拌摩擦增材过程搅拌头转速对增材成型影响研究
搅拌摩擦增材过程搅拌头转速对增材成型影响研究摘要：一、引言1.搅拌摩擦增材过程简介2.研究背景及意义二、搅拌摩擦增材过程原理1.搅拌头转速对增材成型的重要性2.搅拌头转速与摩擦热、材料塑性之间的关系三、实验方法1.实验设备与材料2.实验过程与参数设置四、实验结果与分析1.不同搅拌头转速下的增材成型效果2.搅拌头转速对焊缝质量的影响3.搅拌头转速对材料塑性的影响五、结论与展望1.搅拌头转速对搅拌摩擦增材过程的影响2.未来研究方向与建议正文：随着现代制造业的发展，搅拌摩擦增材过程作为一种先进的焊接技术，逐渐得到了广泛的应用。
搅拌摩擦增材过程是通过搅拌头与焊接材料之间的摩擦产生热量，使材料热塑性，然后通过搅拌头的机械锻造实现工件之间的固相连接。
在这个过程中，搅拌头转速是一个关键参数，对增材成型质量具有重要影响。
搅拌摩擦增材过程中，搅拌头转速对增材成型的重要性不言而喻。
搅拌头转速的快慢直接影响到摩擦热的大小，进而影响到材料的塑性。
当搅拌头转速过低时，摩擦热不足，材料难以热塑性，导致焊缝质量不佳；而当搅拌头转速过高时，摩擦热过大，可能导致材料烧损或焊缝成型不良。
因此，对搅拌头转速进行合理控制，是实现高质量增材成型的关键。
在实验中，我们采用了专业的搅拌摩擦焊设备，并选择了常用的铝、铜等材料进行实验。
通过对不同搅拌头转速下的增材成型效果进行观察和对比，分析了搅拌头转速对增材成型质量的影响。
实验结果表明，搅拌头转速对焊缝质量和材料塑性具有显著影响。
在适当的搅拌头转速下，焊缝成型美观，质量优良；而在搅拌头转速过高或过低时，焊缝成型不佳，甚至出现焊缝开裂、烧损等现象。
通过对比分析，我们得出了不同搅拌头转速下的最佳增材成型参数，为实际生产提供了有益的参考。
综上所述，搅拌头转速在搅拌摩擦增材过程中起着至关重要的作用。
合理控制搅拌头转速，可以有效提高增材成型质量。
然而，对于不同的焊接材料和工件，最佳搅拌头转速可能有所不同，因此需要根据实际情况进行调整。
温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响
ｉ ｄ ｏ ｉｔ． ｍａｌ ｅ ｅａｕ ｅｆ ｌ ｆｉ ｎｓ ｔｅｌｔ ｒ ｍａｓ ｏｓ ｆ ｌ ｆｉ ｎｓ Ｔ ｅ ｓ ｌ ｒｔｍｐ ｒｔｒ ｅｄｏ ｉｔ。ｈ ｉｌｒ ａ ｓ ｌｓ． ｅ ｏ ｈ ｅ ｉ ｏ ｔｅ ｗｅ
ｔ 趋势。结果表明 ：在搅拌头旋转速度一定时 ，各特征点的温度峰值会随焊接速度 的增加而降低，在焊接速度一定 时，特
｝ 征点的温度峰值会随搅拌头旋转速度的增加而升高； 搅拌摩擦焊接头磨损表面呈现轻微的疲劳磨损特征，无明显的表层
ｉ 剥 落开裂迹象 ；试样 的磨损量与接头区域的焊缝成型有密切关 系，而焊缝的成型质量与温度场的分布有密切联系 ，试验
ｐ ｒ ｔｒ ． ｅｆ ｃｉｎ ｓｉ ｌ ｒ ｈ ａ ｔｒｚ ｄ ｂ ｌ ａｉｕｅｗｅ ． ｅｏ ｖｏ ｓ ｄ ｆ ｔｏ ｐ ｌｎ ｓｎ ｔｏ ｓ ｒｅ ｅａｕ ｅ Ｔｈ ｒ ｔｏ ｔ ｗｅｄｓｗｅｅ ｃ ａ ｃｅ ｅ ｙ ｍｉｄ ｆｔ ｉ ｒ ｒ ｉ ｇ ａ Ｔ ｂ ｉｕ ｅｅ ｆｓ ａ ｉ ｇｗａ ｏ ｂ ｅｖ ｄ． ｒ ｈ ｃ ｌ
ｗｅ ｒｂ ｈ ｖｏ ｔ ｈ ｅ ｅａｕ ｅ ｏ ｒ ｔ ｎ ｓｉ ｌ ｒ ｅ ｅ ｒｈ ｄ． ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｅ ｅａｕ ｅ ａ ｅ ａ ｉｒｗｉｈ ｔ ｅ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｆｆ ｃｉ ｔｒｗｅｄｓｗｅｅ ｒｓ ａ ｃ ｅ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｘｍｕ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｉ ｏ
Ｗ ａ ｇ Ｋｕ ｉｈ Ｗ ａ ｇ Ｘｕ ｈ ｎ Ｓｕ Ｘｉｏｉ Ｓｈ ｎ Ｙａ ｇ ｎ ａｓ ｅ ・ ｎ ｎｏ ｇ ａ ｌ ｅ ｎ Ｘｕ Ｋｅ ｉ ｗｅ
（ ． ｏｌ ｅｏ Ｍｅ ｌ ｒｙＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｘ ’ｎＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｒｈｔ ｔｒ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉａ ｈ ａｘ ７ ０ ５ ，ｈｎ ； １Ｃ ｌ ｇ ｆ ｔ ｌ ｇ ｎｉ ｅ ｎ ， ｉａ ｎｖ ｓｙ ｆ ｃ ｉｃｕｅａｄＴ ｃｎ ｌ Ｘ ’ｎＳ ａｎｉ １０ ５ Ｃ ｉａ ｅ ａｕ ｎ ｉ ｅ ｉ Ａ ｅ ｏ ｙ
搅拌头形状对塑料搅拌摩擦焊接头质量的影响
将 ２ Ｐ Ｃ 对 齐 ，用 平 口 钳 夹 紧在 铣 床 工 作 台 上 ， 在 其 块 Ｖ 板 他 工 艺 条 件 不 变 的 情 况 下 分 别 用 不 同 形 状 的搅 拌 头 ，选 用 合 适 的 主 轴 转 速 （ 拌 头 转 速 ） 及 进 给 速 度 （ 接 速 度 ） 施 搅 焊 焊 。 同 时 将 数 字 万 用 表 的测 温 热 电 偶 插 入 刚 刚 焊 合 的 焊 缝 中 测 定 焊 接 温 度 。
将 厚 １ ０ｍｍ的硬 Ｐ Ｃ 切 割 成 １ ０ｍｍｘ ０ ｒ ｎ Ｖ 板 ５ ４ ｉ ，刨 平 两 侧 ａ 面 备 焊 。用 １ ｒ８ ｉ ｉ 锈 钢棒 料 加 工 成 搅 拌 工 具 ，其 结 构 形 Ｃ ｌＮ９ 不 Ｔ 状 尺 寸 如 图 １ 示 。 搅 拌 头 形 状 有 圆 柱 形 、螺 柱 形 、正 圆锥 形 所 和倒 圆 锥 形 ，具 体 尺 寸 见 表 １ 利 用 上 述 搅 拌 头 焊 接 的接 头试 。 样 分 别 用 符 号Ａ，曰，Ｃ ，Ｄ表 示 。
头 质 量 的影 响 。
２ 试 验 结 果 与讨 论 １ 试 验材 料 与 方法
２１ 焊 接 试 验 结 果 ． 所 用 焊 接 参 数 及试 验 结 果见 表２ 。
表 ２ 所 用 焊 接 参 数及 试 验 结 果
试 样 编 号 搅 拌 头 转 速 焊 接 速 度 ｎ ｒ ｍ ｎ ） ｖ （ ｍ・ ｉ （・ ｉａ ／ ｍ ｒｎ ） ａ Ａ７ ８ ， ｌ６ ０ ６ ２ ５ Ａ９ Ａ１ ，２ １ １ ｌ６ ０ ０ ｌ１０ ７ ｌｌ０ ７ ｌ６ ０ ６ ｌ６ ０ ６ ｌ ７ １０ ｌｌ ０ ７ ３ ６ ２ ５ ３ ６ ２ ５ ３ ６ ２ ５ ３ ６ 焊 接 温 度 结 果 ℃（ 均值） 平 ｌ６ ８ 焊 合 良 好 ， 焊 缝 饱 满 凸起 ，表 面 光 滑 ２４ Ｏ 烧 焦严 重 ｌ６ ５ １７ ６ １３ ７ ２１ ０ ｌ０ ５ ｌ５ ５ 部 分 焊 合 焊 合 ， 有 外 溢 ， 成 形 较 差 焊 合 ，焊 缝 中 间 下 陷 ， 有 粉 末 烧 焦 多为 粉 末 状 未 焊 合 ，多 为 粉 末 状 很 少 焊 合 ，粉 末 多
钢铝异种金属搅拌摩擦焊背景及问题
钢与铝焊接存在的主要问题
1.钢的熔点比铝的高，焊接过程中，铝完全熔化为液态时，钢仍处于固 态，且两者密度相差很大，液态铝浮在钢表面上，冷却结晶后焊缝成分 不均匀； 2.焊接过程中，铝母材表面形成难熔的Al2O3氧化膜，阻碍液态金属 的结合，并且容易产生夹渣； 3.热导率、线膨胀系数相差很大，焊后接头变形严重，并且存在有很 大的残余应力，易产生裂纹； 4.铁在铝中固溶度几乎为零，且铁与铝可以产生多种硬而脆的金 属间化合物，如FeAl，FeAl2，FeAl3，Fe2Al5，Fe2Al7及Fe4Al3等， 增加了焊接接头的脆性，降低了其塑性和韧性。
但是陶瓷材料价格昂贵，且供应源不足，故采用焊接前预热钢板的方法，
以降低钢板的硬度，提高搅拌头的使用寿命，节约成本。
搅拌摩擦焊的优点
1.搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，焊前不需要开坡口，节省工时； 2.焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料 3.焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种 低应力、小变形焊接技术
4.焊接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术
5.焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术
焊接速度
下压力
搅拌头的类型
搅拌针的发展过程：光面圆柱体 大沟槽螺纹 普通圆柱螺纹 其他更复杂的形状 锥形螺纹
圆锥螺纹型搅拌头
带螺旋槽的搅拌头
钢/铝搅拌摩擦焊的背景
基于搅拌摩擦焊的优点 1.焊接接头力学性能好、焊后变形小、残余应力小、焊接成本低、效 率高及适用范围广等特点。
基于钢/铝焊接件的使用需求 2.铝合金密度低、耐蚀性好、可焊接加工；钢铁材料资源丰富，稳 定性好；钢/铝焊接件可使交通运输工具轻量化，具有很好的经济效 益。
搅拌摩擦焊的应用领域
不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头温度场模拟_陈书翔
ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ摘要：搅拌头技术是搅拌摩擦焊工艺的关键技术，不锈钢搅拌摩擦焊一个重要的难点是确定不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头的材料。
此材料要求在１０００℃或更高的温度下具有良好的耐磨性和韧性。
采用搅拌摩擦焊工艺对３ｍｍ厚０Ｃｒ１８Ｎｉ９不锈钢板进行了对接焊接。
利用有限元软件ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ初步模拟了在旋转速度６００ｒ／ｍｉｎ，焊接速度７０ｍｍ／ｍｉｎ下焊接不锈钢时搅拌头的温度场分布。
结果表明，模拟结果与实测结果基本吻合。
关键词：搅拌摩擦焊；不锈钢；搅拌头；有限元软件ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ；温度场中图分类号：ＴＧ４５３＋．９文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２３０３（２００８）０７－００６１－０３第３８卷第７期２００８年７月Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２００８ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ陈书翔１，２，叶结和２（１．上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３；２．中国南车集团四方机车车辆股份有限公司，山东青岛２６６０３１）ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｏｏｌｓｉｎｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＣＨＥＮＳｈｕ－ｘｉａｎｇ１，２，ＹＥＪｉｅ－ｈｅ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｆａｎｇＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆ＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋＬｔｄ．，ＣＳＲ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｉｎｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＦＳＷｆｏｒｊｏｉｎｉｎｇｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｈａｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｔｏｏｌｓ，ｗｈｉｃｈｎｅｅｄｐｏｓｓｅｓｓｏｆｅｘｃｅｌｌｅｎｔｗｅａｒａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｎａｃｉｔｙ．Ｔｈｅ０Ｃｒ１８Ｎｉ９ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｏｆ３ｍｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｗａｓｗｅｌｄｅｄｂｙｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＳｉｍｕｌａｔｅｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｏｏｌｓｂｙＦＥＡｓｏｆｔｗａｒｅＤＥＦＯＲＭ－３Ｄｉｎｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｉｒ－ｐｉｎｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ６００ｒ／ｍｉｎａｎｄｔｈｅｗｅｌｄｓｐｅｅｄ７００ｍｍ／ｍｉｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｉｃａｌｌｙａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈａｃｔｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ；ｈｅａｄｏｆｓｔｉｒｓ；ＦＥＡｓｏｆｔｗａｒｅＤＥＦＯＲＭ－３；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ收稿日期：２００７－０６－１６；修回日期：２００８－０５－１４作者简介：陈书翔（１９７８—），男，山东青岛人，硕士，主要从事车体轻量化、轨道车辆焊接工艺等研究工作。
搅拌摩擦焊接实验报告
搅拌摩擦焊接实验报告实验报告：搅拌摩擦焊接实验目的：1. 掌握搅拌摩擦焊接的基本原理和工艺流程。
2. 研究不同焊接参数对焊缝质量的影响。
3. 分析和评价搅拌摩擦焊接的优点和局限性。
实验原理：搅拌摩擦焊接是一种焊接技术，利用摩擦热对焊接接头进行局部加热，然后施加搅拌力使材料发生塑性流动，最终形成无缺陷的焊缝。
焊接参数包括旋转速度、下压力和搅拌速度等。
实验步骤：1. 准备试样：选择相同材料的两个金属试样进行试验。
2. 调整焊接参数：根据实验要求和预先设定的焊接参数范围，选择适当的焊接参数。
3. 焊接试验：将试样夹持到试验装置上，开始进行摩擦加热和搅拌焊接。
注意监测焊接过程中的温度变化和力的变化。
4. 检验焊缝质量：取下焊接接头，用金相显微镜观察焊缝的组织结构和缺陷情况。
可以用拉伸试验和硬度测试进行焊缝性能评价。
实验结果：根据实验的结果，我们可以对搅拌摩擦焊接的影响因素进行分析，找到最佳的焊接参数组合。
实验讨论：1. 搅拌摩擦焊接的优点：焊接速度快、焊接熔池温度低，不会产生气孔和裂纹，焊缝质量高，接头强度满足工程要求。
2. 搅拌摩擦焊接的局限性：需要对焊接参数进行严格控制，材料选择有一定限制，部分材料的焊接接头可塑性较差。
结论：通过搅拌摩擦焊接实验，我们得出以下结论：1. 这种焊接技术具有许多优点，如焊接速度快、焊缝质量高等。
2. 进一步研究和改进该技术，可以扩大其应用范围，提高接头强度。
3. 在实际应用中，应根据具体工程要求和材料特性来选择合适的焊接参数。
在此实验中，我们对搅拌摩擦焊接的基本原理和工艺流程有了更深入的了解，也意识到了其在实际工程中的应用前景。
通过进一步优化参数和改进材料选择，可以使该技术在航空航天、汽车制造等领域得到更广泛的应用。
搅拌摩擦焊接搅拌效果
搅拌摩擦焊接搅拌效果搅拌摩擦焊接是一种高效、环保的金属连接技术，通过搅拌和摩擦产生的热量将金属材料熔化并连接在一起。
它广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造等领域，具有连接强度高、焊接速度快、无需添加外部材料等优点。
搅拌摩擦焊接的搅拌效果是其独特之处。
在焊接过程中，焊接头部分被搅拌器旋转而产生大量的热量，使金属材料熔化。
同时，搅拌器的搅拌作用使熔融的金属均匀混合，消除了焊接过程中可能出现的气孔、烧孔等缺陷。
搅拌效果可以提高焊接接头的强度和密实性，确保焊接质量。
搅拌摩擦焊接的搅拌效果与多个因素相关。
首先是搅拌头的设计。
搅拌头的形状和尺寸会直接影响搅拌效果。
合理设计的搅拌头能够更好地搅拌熔融金属，使其更加均匀混合。
其次是搅拌头的转速。
转速过高或过低都会影响搅拌效果，因此需要根据具体材料和焊接要求选择合适的转速。
同时，搅拌头的加压力度也会对搅拌效果产生影响。
适当的加压力度可以增加搅拌的效果，但过大的压力可能会导致金属材料的变形或断裂。
搅拌摩擦焊接的搅拌效果还与金属材料的性质密切相关。
不同的金属材料具有不同的熔点和热导率，这将直接影响焊接过程中的搅拌效果。
对于某些热导率较高的金属材料，需要采取一些措施来增加搅拌效果，如增加转速或加大加压力度。
此外，金属材料的组织结构和成分也会对搅拌效果产生影响。
一些金属材料可能存在晶粒细化或析出相的现象，这将影响焊接接头的强度和韧性。
搅拌摩擦焊接的搅拌效果不仅仅是焊接接头的强度和质量，还涉及到焊接过程的稳定性和可控性。
搅拌效果的好坏直接影响焊接的速度和效率。
良好的搅拌效果可以提高焊接速度，减少生产成本。
另外，搅拌效果还可以减少焊接过程中的热变形和应力集中，提高焊接接头的稳定性和可靠性。
搅拌摩擦焊接的搅拌效果是其独特的焊接技术特点之一。
通过搅拌和摩擦产生的热量，金属材料得以熔化并连接在一起。
搅拌效果的好坏直接影响焊接接头的强度、质量、速度和效率。
因此，在实际应用中，需要根据具体的焊接要求和材料特性，合理设计搅拌头的形状和尺寸，并选择合适的转速和加压力度，以达到最佳的搅拌效果。
搅拌摩擦焊过程中搅拌头温度场分布特征
搅拌摩擦焊过程中搅拌头温度场分布特征搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，其主要原理是通过搅拌头在焊接过程中对金属材料进行摩擦加热和塑性变形，从而实现焊接。
在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头的温度场分布特征是非常重要的，它直接影响着焊接质量和效率。
搅拌头温度场分布特征主要受到以下因素的影响：1. 摩擦热的产生和传递：在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与工件之间的摩擦会产生大量的热量，这些热量会通过搅拌头向周围传递，从而形成温度场分布。
2. 搅拌头的形状和尺寸：搅拌头的形状和尺寸会直接影响其表面积和接触面积，从而影响摩擦热的产生和传递，进而影响温度场分布。
3. 焊接材料的热导率和热容量：焊接材料的热导率和热容量会影响摩擦热的传递速度和吸收能力，从而影响温度场分布。
4. 搅拌头的转速和下压力：搅拌头的转速和下压力会影响摩擦热的产生和传递速度，从而影响温度场分布。
在实际的搅拌摩擦焊过程中，搅拌头的温度场分布特征通常表现为以下几个方面：1. 搅拌头表面温度高：由于搅拌头与工件之间的摩擦会产生大量的热量，因此搅拌头表面温度往往会比周围环境高很多。
2. 搅拌头中心温度高：由于搅拌头中心处的摩擦热产生和传递速度最快，因此搅拌头中心处的温度往往会比较高。
3. 搅拌头周围温度逐渐降低：由于搅拌头表面的摩擦热会向周围传递，因此搅拌头周围的温度会逐渐降低。
4. 温度场分布对称性较好：由于搅拌头的旋转和下压力的均匀性，温度场分布通常具有较好的对称性。
总之，搅拌摩擦焊过程中搅拌头的温度场分布特征是非常重要的，它直接影响着焊接质量和效率。
因此，在实际的焊接过程中，需要根据具体的焊接材料和工艺参数来调整搅拌头的转速和下压力，以达到最佳的温度场分布特征。
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明， 采 用不 同材 质搅 拌 头 ， 焊 接 试 板 及 搅 拌 头 自身 温 度 场 分 布 规 律 相 同 。 焊 接 试 板 温 度 及 温 度 梯 度 随 测 温 点
远 离 焊 缝 中心 逐 渐 降 低 ， 焊 接方 向测 温 点 的峰值 温 度 依 次 升 高 ， 前 进 侧 温 度 高 于 后 退 侧 。稳 定 焊 接 阶 段 ， 摩 擦 产 热传 递至 搅拌 头 的热 量与 通过 其 散失 的热 量保 持动 态平 衡 ， 搅 拌 头 温 度 波 动 很 小 。采 用 比 热 容 小 、 热 传 导系 数大 的材 料 制作 搅拌 头焊 接 时 ， 一 方面 可 以向焊 接试 板输 入更 多 的热量 ， 另 一 方 面 其 自身 散 失 的 热 量 也 更多 ， 焊 接 试 板 及 搅 拌 头 自身 的 温 度 均 较 高 。 因 此 ， 搅拌 头 材 质 的选 择 应 综 合评 定 其 热 物 理特 性 ， 以 获 得 摩 擦 偶 之间 更高 的热 效 率 。 关 键词 ： 搅拌摩擦焊 ； 搅拌头材质 ； 搅拌头温度场 ； 焊 接 试 板 温 度 场
好 的耐 高温 静态 和动 态力学 性 能 以及 较好 的耐 磨性
能， 而且 具有 较高 的熔 点 。
高速 工具 钢 Ｗ９ Ｍｏ ３ ｃ ｒ ４ Ｖ与 铝合 金 之 间 的摩 擦 产 热量 比较 高 ， 采 用该合 金 制作搅 拌 头焊接 铝合 金 ， 可 以有效 提 高焊 接 速 率 ， 进 而 提 高 生产 效 率 。本 试 验研 究 以 Ｗ９ Ｍｏ ３ Ｃ ｒ ４ Ｖ合金 作 为 铝 合金 搅 拌 摩擦 焊
直 是 国 内外 焊 接界 研究 的热 点 之一
。通 过对
搅拌 摩擦 焊 热过 程 的 深入 了解 ， 可 以 预测 焊 接 过 程 中的温度 情况 及接 头 区域 的微 区特 征 、 硬度 、 应力 应 变分 布 ， 进而 评价 接头 性能 。
现， 其 材质 一般应 具 有 较 高 的热 强 性 、 耐磨 性 、 抗蠕 变性 、 耐冲 击 性 、 热稳定性等¨ 。铝 合 金 搅 拌 摩 擦
焊 一般 采用 工具 钢 制 作搅 拌 头 ， 因为 该 材 料 具有 较
目前 ， 搅 拌摩 擦 焊 热 过程 的研 究 主要 集 中在 数 值模 拟分 析及 实验 测定 两方 面 。实 验研 究 大 多 限于对 搅 拌摩 擦焊 过程 中焊 接 工件 温度 场 的测定 和 分析 ， 鲜见 对搅 拌 头 温 度 场 实 验 测 定 和分 析 。搅 拌
头材 质对 搅 拌 摩 擦 焊摩 擦 偶 之 间温 度 场 的 影 响 规 律 。表 １和表 ２分别 列 出 Ｗ９ Ｍｏ ３ Ｃ ｒ ４ Ｖ和 Ｓ Ｕ Ｓ ４ ４ ０ Ｃ 的化 学成 分 。表 ３为两种 材 质 的热 物 理性 能 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０ － ５ — ２ ０ ； 修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ — １ ８ 基金项 目： 西北工业大学陕西省摩擦 焊重点实验室基金项 目 （ Ｓ Ｈ Ａ Ａ Ｎ Ｘ Ｉ ． Ｋ Ｌ － Ｆ ｗ一 ２ ０ １ ０ ０ ２ ） ； 江 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程 资助 （ Ｐ Ｄ Ａ Ｄ） 作者简介 ： 赵阳阳 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 硕 士研究 生 ， 主 要 从 事 搅 拌
赵 阳阳 ， 李敬 勇 ， 李 兴 学
（ １ ．江 苏 科 技 大学 先 进 焊 接 技 术 省级 重 点 实 验 室 ， 江苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ； ２ ．神 华 国 能 集 团检 修 公 司 安 监 部 ， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ １ ）
摘要 ： 测 定 焊 接 试 板 及 搅 拌 头 自身 的 温 度 分 布 曲 线 ， 分 析 搅 拌 头 材 质 对 搅 拌 摩 擦 焊 温 度 场 的 影 响 。 结 果 表
搅拌 摩 擦焊 由于 具 有接 头 质 量 高 、 焊接 变 形 小 和焊 接过 程 绿色 、 无 污 染 等 优 点 ． ， 是铝 、 镁 等 有 色 金属 合金 优 选 的焊 接 方 法 。搅 拌 摩 擦 焊 热 过 程
一
拌头 自身 温度 场 的影响 。
１ 实验 设 计
搅 拌 摩 擦 焊过 程 中 ， 搅 拌 头受 到 较 为复 杂 的温 度和 载荷 的交 互 作 用 。基 于搅 拌 头 各 项 功 能 的 实
搅 拌头 的 主 要 制 造 材 料 。 同时 采 用 马 氏 体 不 锈 钢
界 条件 下 焊接试 板 及 搅 拌 头 温 度 场 的 分 布规 律 ， 并
分 析搅 拌 头材 质对 搅拌 摩擦 焊过 程 中焊接 试板 及搅
Ｓ Ｕ Ｓ ４ ４ ０ Ｃ制 作搅拌 头 ， 在相 同焊 接条 件下 ， 探讨 搅拌
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — ５ ０ ５ ３ ． ２ ０ １ ４ ． ２ ． ０ ０ ７
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｇ ４ ５ ５ ； Ｖ ２ ６ １ ． ３ ４
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ５ ． ５ ０ ５ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ － ０ ０ ３ ５ — ０ ５
第３ ４卷 第 ２期
２ ０ １ ４年 ４月
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ１ ． ３ ４． Ｎｏ ． ２
Ａｐ ｒ ｉ ｌ ２ ０１ ４
Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ ＯＦ ＡＥ ＲＯＮＡＵ Ｔ Ｉ Ｃ ＡＬ ＭＡＴ Ｅ ＲＩ ＡＬ Ｓ
搅 拌 头材 质对 搅 拌摩 擦 焊 温 度 场 的影 响
头 是搅 拌 摩擦 焊 的“ 心脏” ， 它 既 是完 成 搅 拌 摩擦 焊 过程 必 不可少 的产 热 工 具 ， 同 时也 是 焊 接 热 量 散 失 的主要 途径 ¨ 。本 工 作 应 用 热 电偶 和 自行研 制 的无线 测 温 系统 ， 通 过 实验 方 法 同 时测 定 了不 同边