搅拌摩擦焊数值模拟的发展现状
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２１ ０ ２年 第 ８期 １ ７
基 金 项 目 ： ０ １年 度 国家 ８ ３计 划 海 洋技 术 领域 重 大课 题 “ 于 摩 擦 叠 ２１ ６ 基
焊的水下钢结构修 复技术 ”； 北京 市属 高等学 校人 才强教深
化 计 划 资 助 项 目 （ ＨＲ ０９ ７ ２ ）； 科 与 研 究 生 教 育 一重 Ｐ ２００２ １ 学 点学 科 一机 械 电 子 工 程 （ ＸＭ ０ １— １２ ２— ００ ３） ２ １ Ｐ ２ １ ０ ４ ２ ０ ０ ３ ；０ １ 年 度 北 京 市 Ｕ Ｔ计 划 （ Ｒ Ａ类 ） 目 （ｏ １０ ０ ３ 。 项 ２ ｌＪ０ ９ ）
焊 的数值 模拟 经历 了从 一 维 到二 维 直 到 现在 的三 维模
型 、 稳态 到 瞬 态 、 单 一 场 到 多场 耦 合 、 单 一 参 量 从 从 从 场 到多元 参量 场 、 单 一 的 Ｌ ｇａ ｇ 从 ａｒｎ ｅ坐标 系 或 Ｅ ｌｒ ｕｅ 坐 标 系到复 合 的 Ａ Ｅ Ａ ｂｔ ｒ Ｌ ｇａｇ —Ｅ ｌ ） Ｌ （ ｒｉａｙ ａｒｎ ｅ ｕｅ 坐标 系 、 ｒ ｒ 从有 限差 分法 到边 界元 法 再 到有 限元 理论 这 样 一 个 曲 折复 杂 的过 程 。 随着 算 法 的合 理 化 、 确 化 和软 件 的 精 多元 化 ， 拌 摩 擦 焊 的数 值 模 拟 正 在 经 历 一 个 前 所 未 搅 有 的大蜕 变 ， 越来越 趋 向于集 成 化 、 确 化 、 同化 、 精 协 关
１ 搅 拌摩 擦焊 数值 模拟 的发 展历 史及 现 状 摩擦 焊接 过 程 的数 值 模 拟 研 究 ， 本 上 是 伴 随着 基 摩擦 焊 接工艺 的研 究 同 步发 展 起 来 的 。对 搅拌 摩 擦 焊 工艺 过程 的数 值 模 拟 主 要 集 中在 以下 三 个 方 面 ： 度 温
联化 。
航空、 宇航 大公 司都 争相 获 得 了使 用 Ｆ Ｗ 的专 利 许 可 Ｓ
证 。搅 拌摩擦 焊 技 术作 为 一 种 先 进 的 固态 连 接 技 术 ， 已被 公认 是 最 具 潜 力 和 应 用 前 景 的先 进 连 接 方 法 ， 随
着焊 接 优越 性 的 不 断 被 人 们 所 认 识 并 得 到 肯 定 ， 技 该
搅 拌摩 擦 焊 （ ｒ ｔ ｎ Ｓｉ Ｗｅ ｉ Ｆｉ ｉ ｔ ｌ ｎ ｃｏ ｒ ｄ ｇ—Ｆ Ｗ ） １ ９ Ｓ 是 ９１ 年 由英 国焊 接研 究所 （ ＷＩ 发 明 的一 种 新 型 的 固态 焊 Ｔ ）
接工 艺 Ｊ被 誉 为 “ 激 光 焊 后 最 为 革 命 性 的 连 接 技 ， 继 术” 。具 有接 头 性 能 好 、 缺 陷 、 强 度 以及 环 保 等 特 低 高
术 已得 到世 界 范 围 的广 泛 关 注 和 深 入 研 究 ， 取 得 了 并
丰硕 的研 究成 果 。
２ 搅 拌摩 擦焊 温度 场 的模 拟 搅拌 摩擦 焊 温度 场 模 拟 研 究 的 比较 见 表 １ 。在 热 加工 学科 里 ， 摩擦 焊过 程 的物 理 现 象是 一 个 涉 及 高温 、 冶金 和热 力 学 的 复 杂 过 程 ， 因此 在 建 立 精 确 的物 理 模
场 的 模 拟 （ 究 焊件 的温 度与传 热 及冷 却过 程 ） 速 度 研 、
收 稿 日期 ： ０ １一ｌ ２１ １—１ ５
温度 场 的数 值 模 拟 一 般 分 为 以下 两 个 方 向 ： 虑 考
搅拌 针产 热 和不考 虑搅 拌 针 的产 热 。早期 的模 型 只考 虑 了轴肩 与 工 件 的 摩擦 产 热 ， 略 了焊 接 过 程 中搅 拌 忽 针 的热 贡献 ， 在 焊 接 薄 板 时 能 够 得 到 较 为 精 确 的模 这 型， 特别 是焊 接 铝 合 金 和 镁 合 金 等 热 传 导 系 数 比较 大
点 ，Ｓ 技 术最 初 主要用 于 低熔 点 的铝 合 金 板材 焊 接 。 ＦＷ 随着 该技 术 的不 断发展 ， 应用 范 围不 断扩 大 ， 其 既可 对 多种 熔 焊性 能差 的金 属进 行 焊 接 ， 适 用 于航 空 航 天 、 又 船舶 制 造 、 车辆 制 造 和 军 事 工 业 等 领 域 。美 国著 名 的
了简 述 。
关键词 ： 搅拌摩擦焊
数值模 拟
温度场Βιβλιοθήκη 应力应变场速 度 流 场
中 图分 类 号 ： Ｔ ５ ． Ｇ４ ３ ９
０ 前
言
流场模 拟 （ 研究 焊缝 的塑性 流动情 况 ） 以及 应力 应 变场
模拟 （ 研究 焊件 焊接 应力 和残 余 应力 应 变 的状 况 ） 。随
着焊 接理 论 的 逐 渐成 熟 ， 擦 学 模 型 的逐 步 完 善 以及 摩 有 限元理 论 和计 算 机计 算 速 度 的迅 速 发 展 ， 拌 摩 擦 搅
／
专题综述 ｒ 蜉掳
搅 拌 摩 擦 焊 数 值 模 拟 的 发 展 现 状
中国石 油大 学（ 京 ） 械 与储 运 工程 学院 （ ０ ２ ９ 北 机 １２４ ） 北 京 石 油 化 工 学 院 机 械 工 程 学 院 （０ ６ ７ １２ １ ） 李 晓 东 俞 建荣 陈家庆
摘要 自英 国焊接研究所 （ ｗＩ发 明了搅拌 摩擦焊 接技术 以来 ， 已经被 广泛应用 于各 领域 ， Ｔ ） 它 而且 随着研究 的深入 ， 其应用 范围不 断扩大 ， 多个 国家的相关人员对各种不 同材料 的搅拌 摩擦 焊 已进行 了深入 的试验研究 ， 可是 在数值模拟方面却 刚刚发 展起 来 ， 中对搅拌摩擦 焊数值模拟 的三个方 面 （ 度场 、 力应变 场和速度 流场 ） 文 温 应 进行
型方 面存 在 较 大 的 困难 ， 接 传 热 过 程 直 接 决 定 了 焊 焊
缝 和热影 响 区 焊 后 晶粒 组 织 、 余 应 力 分 布 和焊 接 接 残 头 的性能 特 性 。研 究 温 度 场 是 进 行 应 力 分 析 的基 础 ， 并且 调整 焊 接 工 艺参 数 、 制 焊 接 区域 的塑 性 化 及 提 控 高接 头力 学性 能有 一定 的指 导 意义 。
基 金 项 目 ： ０ １年 度 国家 ８ ３计 划 海 洋技 术 领域 重 大课 题 “ 于 摩 擦 叠 ２１ ６ 基
焊的水下钢结构修 复技术 ”； 北京 市属 高等学 校人 才强教深
化 计 划 资 助 项 目 （ ＨＲ ０９ ７ ２ ）； 科 与 研 究 生 教 育 一重 Ｐ ２００２ １ 学 点学 科 一机 械 电 子 工 程 （ ＸＭ ０ １— １２ ２— ００ ３） ２ １ Ｐ ２ １ ０ ４ ２ ０ ０ ３ ；０ １ 年 度 北 京 市 Ｕ Ｔ计 划 （ Ｒ Ａ类 ） 目 （ｏ １０ ０ ３ 。 项 ２ ｌＪ０ ９ ）
焊 的数值 模拟 经历 了从 一 维 到二 维 直 到 现在 的三 维模
型 、 稳态 到 瞬 态 、 单 一 场 到 多场 耦 合 、 单 一 参 量 从 从 从 场 到多元 参量 场 、 单 一 的 Ｌ ｇａ ｇ 从 ａｒｎ ｅ坐标 系 或 Ｅ ｌｒ ｕｅ 坐 标 系到复 合 的 Ａ Ｅ Ａ ｂｔ ｒ Ｌ ｇａｇ —Ｅ ｌ ） Ｌ （ ｒｉａｙ ａｒｎ ｅ ｕｅ 坐标 系 、 ｒ ｒ 从有 限差 分法 到边 界元 法 再 到有 限元 理论 这 样 一 个 曲 折复 杂 的过 程 。 随着 算 法 的合 理 化 、 确 化 和软 件 的 精 多元 化 ， 拌 摩 擦 焊 的数 值 模 拟 正 在 经 历 一 个 前 所 未 搅 有 的大蜕 变 ， 越来越 趋 向于集 成 化 、 确 化 、 同化 、 精 协 关
１ 搅 拌摩 擦焊 数值 模拟 的发 展历 史及 现 状 摩擦 焊接 过 程 的数 值 模 拟 研 究 ， 本 上 是 伴 随着 基 摩擦 焊 接工艺 的研 究 同 步发 展 起 来 的 。对 搅拌 摩 擦 焊 工艺 过程 的数 值 模 拟 主 要 集 中在 以下 三 个 方 面 ： 度 温
联化 。
航空、 宇航 大公 司都 争相 获 得 了使 用 Ｆ Ｗ 的专 利 许 可 Ｓ
证 。搅 拌摩擦 焊 技 术作 为 一 种 先 进 的 固态 连 接 技 术 ， 已被 公认 是 最 具 潜 力 和 应 用 前 景 的先 进 连 接 方 法 ， 随
着焊 接 优越 性 的 不 断 被 人 们 所 认 识 并 得 到 肯 定 ， 技 该
搅 拌摩 擦 焊 （ ｒ ｔ ｎ Ｓｉ Ｗｅ ｉ Ｆｉ ｉ ｔ ｌ ｎ ｃｏ ｒ ｄ ｇ—Ｆ Ｗ ） １ ９ Ｓ 是 ９１ 年 由英 国焊 接研 究所 （ ＷＩ 发 明 的一 种 新 型 的 固态 焊 Ｔ ）
接工 艺 Ｊ被 誉 为 “ 激 光 焊 后 最 为 革 命 性 的 连 接 技 ， 继 术” 。具 有接 头 性 能 好 、 缺 陷 、 强 度 以及 环 保 等 特 低 高
术 已得 到世 界 范 围 的广 泛 关 注 和 深 入 研 究 ， 取 得 了 并
丰硕 的研 究成 果 。
２ 搅 拌摩 擦焊 温度 场 的模 拟 搅拌 摩擦 焊 温度 场 模 拟 研 究 的 比较 见 表 １ 。在 热 加工 学科 里 ， 摩擦 焊过 程 的物 理 现 象是 一 个 涉 及 高温 、 冶金 和热 力 学 的 复 杂 过 程 ， 因此 在 建 立 精 确 的物 理 模
场 的 模 拟 （ 究 焊件 的温 度与传 热 及冷 却过 程 ） 速 度 研 、
收 稿 日期 ： ０ １一ｌ ２１ １—１ ５
温度 场 的数 值 模 拟 一 般 分 为 以下 两 个 方 向 ： 虑 考
搅拌 针产 热 和不考 虑搅 拌 针 的产 热 。早期 的模 型 只考 虑 了轴肩 与 工 件 的 摩擦 产 热 ， 略 了焊 接 过 程 中搅 拌 忽 针 的热 贡献 ， 在 焊 接 薄 板 时 能 够 得 到 较 为 精 确 的模 这 型， 特别 是焊 接 铝 合 金 和 镁 合 金 等 热 传 导 系 数 比较 大
点 ，Ｓ 技 术最 初 主要用 于 低熔 点 的铝 合 金 板材 焊 接 。 ＦＷ 随着 该技 术 的不 断发展 ， 应用 范 围不 断扩 大 ， 其 既可 对 多种 熔 焊性 能差 的金 属进 行 焊 接 ， 适 用 于航 空 航 天 、 又 船舶 制 造 、 车辆 制 造 和 军 事 工 业 等 领 域 。美 国著 名 的
了简 述 。
关键词 ： 搅拌摩擦焊
数值模 拟
温度场Βιβλιοθήκη 应力应变场速 度 流 场
中 图分 类 号 ： Ｔ ５ ． Ｇ４ ３ ９
０ 前
言
流场模 拟 （ 研究 焊缝 的塑性 流动情 况 ） 以及 应力 应 变场
模拟 （ 研究 焊件 焊接 应力 和残 余 应力 应 变 的状 况 ） 。随
着焊 接理 论 的 逐 渐成 熟 ， 擦 学 模 型 的逐 步 完 善 以及 摩 有 限元理 论 和计 算 机计 算 速 度 的迅 速 发 展 ， 拌 摩 擦 搅
／
专题综述 ｒ 蜉掳
搅 拌 摩 擦 焊 数 值 模 拟 的 发 展 现 状
中国石 油大 学（ 京 ） 械 与储 运 工程 学院 （ ０ ２ ９ 北 机 １２４ ） 北 京 石 油 化 工 学 院 机 械 工 程 学 院 （０ ６ ７ １２ １ ） 李 晓 东 俞 建荣 陈家庆
摘要 自英 国焊接研究所 （ ｗＩ发 明了搅拌 摩擦焊 接技术 以来 ， 已经被 广泛应用 于各 领域 ， Ｔ ） 它 而且 随着研究 的深入 ， 其应用 范围不 断扩大 ， 多个 国家的相关人员对各种不 同材料 的搅拌 摩擦 焊 已进行 了深入 的试验研究 ， 可是 在数值模拟方面却 刚刚发 展起 来 ， 中对搅拌摩擦 焊数值模拟 的三个方 面 （ 度场 、 力应变 场和速度 流场 ） 文 温 应 进行
型方 面存 在 较 大 的 困难 ， 接 传 热 过 程 直 接 决 定 了 焊 焊
缝 和热影 响 区 焊 后 晶粒 组 织 、 余 应 力 分 布 和焊 接 接 残 头 的性能 特 性 。研 究 温 度 场 是 进 行 应 力 分 析 的基 础 ， 并且 调整 焊 接 工 艺参 数 、 制 焊 接 区域 的塑 性 化 及 提 控 高接 头力 学性 能有 一定 的指 导 意义 。