搅拌摩擦焊热源分析
搅拌摩擦焊实验报告
搅拌摩擦焊实验报告1. 实验目的(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理；(2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程；(3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。
2. 实验概述搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。
搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。
不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。
同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
焊接过程如图所示。
在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。
焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。
但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。
搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。
通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。
针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。
焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。
唯一消耗的是焊接搅拌头。
同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。
特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
冶金企业的双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头的组织与性能分析
冶金企业的双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头的组织与性能分析冶金企业是指专门进行金属材料冶炼和加工的企业，其中双相不锈钢是一种广泛应用于冶金企业中的材料。
双相不锈钢具有优良的耐腐蚀性能和机械性能，因此在冶金企业的生产中被广泛使用。
在双相不锈钢的生产过程中，搅拌工艺是不可或缺的一环，而摩擦焊接头作为搅拌工艺的重要部分，其组织与性能分析对于提高双相不锈钢的生产效率和品质具有重要意义。
一、摩擦焊接头的组织分析1.1 摩擦焊接头的组成摩擦焊接是一种利用金属材料在摩擦热和挤压力的共同作用下产生塑性变形并实现固态结合的焊接方法。
在双相不锈钢的搅拌工艺中，摩擦焊接头通常由母材、热影响区和焊缝组成。
母材是指需要进行摩擦焊接的双相不锈钢板材或管材，热影响区是指母材在摩擦焊接过程中受到的热影响而发生的显微组织变化区域，焊缝是指摩擦焊接头中形成的由热塑性金属填充材料形成的部分。
摩擦焊接头的显微组织是指在光学显微镜下观察到的摩擦焊接头的组织形貌和组织结构。
在双相不锈钢的搅拌工艺中，摩擦焊接头的显微组织通常包括奥氏体、铁素体和马氏体等组织。
奥氏体是一种具有良好塑性和耐腐蚀性能的组织，铁素体是一种具有良好强度和硬度的组织，而马氏体则是一种在高温条件下形成的组织。
摩擦焊接头的显微组织分析方法主要包括金相显微镜观察、扫描电子显微镜观察和透射电子显微镜观察等。
金相显微镜观察是指将摩擦焊接头的样品制成金相试样后在金相显微镜下观察摩擦焊接头的组织形貌和组织结构，扫描电子显微镜观察是指利用扫描电子显微镜来观察摩擦焊接头的表面形貌和内部组织结构，透射电子显微镜观察是指利用透射电子显微镜来观察摩擦焊接头的微观组织和组织结构。
摩擦焊接头的力学性能是指摩擦焊接头在受力作用下的性能表现。
在双相不锈钢的搅拌工艺中，摩擦焊接头的力学性能通常包括拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率和冲击韧性等指标。
拉伸强度是指摩擦焊接头在拉伸载荷作用下发生断裂所承受的最大应力，屈服强度是指摩擦焊接头发生塑性变形的应力点，断裂伸长率是指摩擦焊接头在拉伸断裂时的变形量，冲击韧性是指摩擦焊接头在受冲击载荷作用下的抗冲击性能。
搅拌摩擦焊的温度分析
搅拌摩擦焊的试验材料为 R1;铝合金A尺寸为 OS9##T S9##T ;##B搅 拌 摩 擦 焊 的 工 艺 如 下 U搅 拌头转速为 OS99%V#.*A焊接速度为 WS##V#.*A旋 转方向为顺时针B为了测定搅拌摩擦焊不同区域的 温 度A首 先 分 别 在 距 焊 接 表 面 不 同 的 深 度 距 离 7O##A8##A:##<和 距 焊 接 中 心 不 同 的 横 向 距 离 7:##A;##AM##<钻直径为 X9YS## 的小孔Z然后 利 用 镍 铬@镍 硅 热 电 偶 插 入 铝 板 各 个 不 同 的 小 孔 中
焊 缝 中会 降
低! 图 C为 在横向距 搅 拌
头中心的相同距离时温度 随着距焊接表面的距离的 变 化曲线!由 图 C可 以 看
图 C 温度与距焊接表面 的距离的关系
到 距 离 焊 接 表 面 愈 远 D温 度 愈 低 !这 表 明 搅 拌 摩 擦 焊
致 的 那 个 边 <的 温 度 比 流 动 边 7搅 拌 头 旋 转 方 向 和 前进方向相反的那个边<
图 8 温度与搅拌焊接 时间的关系
的温度总体来 说 要 高 一 点B 本 试 验 中A搅 拌 摩 擦 焊
的 最 高 温 度 为 :WS\A大 约 为 9YS;]# 7纯 铝 的 熔
点 <B 前 者 出 现 的 原 因 和 摩 擦 生 热 的 总 量 有 关 Z而 后
搅拌摩擦焊过程中的温度主要取决于其焊接 规范!温度最高值位于搅拌头与焊接铝板接触的轴 肩 处 !另 外 D温 度 随 着 距 离 焊 接 表 面 的 深 度 增 加 而 降 低D这 表明 搅拌 摩 擦 焊 的 热 源 主 要 产 生 在 与 搅 拌 头 的轴肩部位!
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊是一种固态焊接方法，通过机械震动和摩擦热来实现焊接。
其原理基于热塑性材料的可塑性和可变形性，通过摩擦热加热两个焊接件的接触面，使金属软化并形成可塑性，然后施加压力，使两个焊接件发生塑性变形混合，最终形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊主要包括以下几个步骤：
1. 两个待焊接的金属件通过紧密贴合。
2. 在接触面之间施加一定的压力。
3. 使用专用搅拌头，通过高速旋转在接触面上施加摩擦力，引发摩擦热。
4. 随着摩擦热的积累，金属开始加热并软化。
5. 一旦达到足够的软化温度，停止搅拌并继续施加压力，使两个金属件发生塑性变形。
6. 继续施加压力，使金属在接触面上混合，形成焊缝。
7. 冷却后，焊缝区域重新硬化，完成搅拌摩擦焊。
搅拌摩擦焊具有许多优点，包括焊接速度快、焊接接头强度高、焊接过程无火花、无气体和溶剂的排放等。
它可以应用于各种金属材料的焊接，特别适用于铝合金、镁合金等难焊性材料。
搅拌摩擦焊广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造等领域。
搅拌摩擦焊温度场分析
搅拌摩擦焊温度场分析作者：王杰林名润闫大鹏周琼来源：《山东工业技术》2018年第08期摘要：通过分析搅拌摩擦焊焊接原理，建立搅拌摩擦焊焊接过程数学模型，运用Full Newton-Raphson方法，编制搅拌摩擦焊焊接过程控制程序，对搅拌摩擦焊移动热源焊接的温度场进行模拟，得到的分析结果能够较为准确揭示搅拌摩擦焊焊接过程规律，为确定焊接工艺参数提供参考。
关键词：搅拌摩擦焊；温度场；数值模拟DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.08.2211 引言搅拌摩擦焊[1]（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种新型的固态焊接工艺技术，与传统的焊接方法相比，它不但能够得到优良的焊接性能，而且能够焊接一些传统方法难以焊接的材料，随着该技术的不断发展，其应用范围不断扩大，已在航空、航天、船舶、汽车等领域得到广泛应用。
2 热源数学模型根据已有的研究成果[2]，通常认为FSW的热源主要来自于搅拌针端面和搅拌头轴肩与工件摩擦面热源以及搅拌针侧面与工件摩擦体热源等几种形式[3]。
在数值模拟中，忽略次要因素，根据库伦摩擦理论建立如下的搅拌摩擦热源的数学模型。
2.1 面热源搅拌针刚开始与工件接触摩擦时，其顶锻力作用在搅拌针端面上。
在搅拌针端面取出微元，则其受到的摩擦力为：（1）搅拌针旋转一周摩擦力对微元所做的功为：（2）对上式进行二重积分，得到摩擦力对搅拌针端面所做的功为：（3）则搅拌针端面摩擦生热的功率是：（4）同理可得，搅拌针轴肩处摩擦生热功率是：（5）其中是摩擦系数，是顶锻力，搅拌针根部半径，是轴肩处半径，是旋转角速度。
2.2 体热源当搅拌针周围的工件温度达到横向焊接的条件时，搅拌头便会横向移动，在此过程中产生的热量主要是搅拌针克服材料的剪切应力所产生的摩擦力生热。
为分析方便并不失一般性，假设搅拌针的形状是圆柱体，与搅拌针热源分析类似，在搅拌针侧面上取一个微元，则微元受到的摩擦力为：（6）当搅拌针旋转一周，侧面产生的摩擦力所做的功为：（7）因此搅拌针与焊接面的摩擦力做功为：（8）其中是焊接速度。
搅拌摩擦焊技术（三）－FSW的温度分布和焊缝金属组织-工程
搅拌摩擦焊技术（三）－FSW的温度分布和焊缝金属组织-工程搅拌摩擦焊时，由机械旋转的搅拌头与被焊金属摩擦产生的热能传输给被焊金属，焊缝金属在搅拌力的驱动下产生塑性流动，。
焊缝组织受到强塑性流动的影响，导致焊缝结晶的微细化，也许局部伴有粗大化。
搅拌摩擦焊接头组织和其温度分布密切相关，因此必须要注意搅拌指棒的形状，对焊缝热循环的影响。
（一）焊缝区的温度分布搅拌摩擦焊的温度分布的测定是不容易的。
因为，在采用热电偶测量焊接接头温度分布时，焊缝中金属的强塑性流动，使得热电偶端头易产生损坏。
目前多是在焊缝区附近或热影响区进行测量。
图2-15为Backland等学者在板厚为4mm的A6063T6铝合金、搅拌头直径为15mm的情况测得的焊接接头的热循环曲线。
从图中可以看到，离焊缝中心线2mm处的温度大于500oC。
日本有人经过试验得到纯铝焊缝区的温度最高为450oC。
由于铝的熔化温度为660oC，可以认为是在熔点以下的温度发生塑性流动。
英国焊接研究所试验结果表明焊缝区的最高温度为熔点的70%，纯铝最高温度不超过550oC。
总之，纯铝搅拌摩擦焊接时焊缝区的最高温度在500oC左右。
热传导计算结果与以上的实测值基本一致。
图2-15 A6063-T6合金搅拌摩擦焊的热循环曲线搅拌指棒的温度是一个很重要的问题，至今还没有实测数据。
因为搅拌指棒要在焊缝金属内旋转，测量十分困难。
有人在被焊金属固定的情况下，将旋转的搅拌指棒压入到板厚为12.7mm的6061-T6铝中，测量距搅拌指棒的端部0.2mm处的温度，并根据这个温度，用计算机仿真的方法仿真出搅拌指棒外围的温度。
在搅拌指棒的直径为5mm，长为5.5mm的条件下，其仿真结果如图2-16所示。
根据搅拌指棒压入的速度可以推定，约24秒搅拌指棒全部压入到被焊金属中。
从图2-16可以看出，从15秒后到24秒，搅拌指棒外围温度为一常数约580oC，即达到6061合金固相线温度。
在搅拌摩擦焊时搅拌指棒的温度不能高于以上温度，因为搅拌指棒的高温剪切强度或高温抗疲劳强度就处于这个温度范围。
搅拌摩擦焊热源分析
搅拌摩擦焊接(FSW)是由英国焊接研究所TwI针对铝合金、镁合金等轻型有色金属开发的一种高效率、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一个革命性的焊接技术”。
该方法的问世，使得以往采用传统熔焊方法无法连接的材料通过搅拌摩擦焊技术实现高质量的焊接。
目前，搅拌摩擦焊技术已在飞机制造、机车车辆和船舶制造等领域得到广泛的应用。
搅拌摩擦焊过程中产生了大量的热，这些热量主要来源于搅拌头与焊件材料接合面间的摩擦热、搅拌头附近材料的塑性变形产生的热，其中摩擦热是焊接产热的主体。
这些热量对焊缝及其附近的母材施以热循环作用，对接头性能和焊接质量起关键作用。
因此，研究搅拌摩擦焊的产热机制，建立热源解析的数学模型，可以从理论上预测材料在一定的焊接参数下所经历的热过程，对优化焊接参数、获得高质量的接头具有重要作用[1].搅拌摩擦焊过程中，输入热量的大小和分布直接影响到焊接质量。
热输入主要来自3个方面：轴肩与焊接材料表面的摩擦热；搅拌针与焊件接触面处的摩擦热；搅拌针附近焊缝金属的塑性变形热。
试验中发现，若焊接参数选择不当，会造成焊接过程中的热输入不合理，将直接影响到焊缝的表面形貌和力学性能。
所以，研究搅拌摩擦焊接过程中温度场的变化规律对研究焊缝金属流动、分析焊接应力及变形、深入了解搅拌摩擦焊机理、制定合理焊接工艺具有十分重要的现实意义[2]。
3.Sato、Tang、Kwon、Hashimoto、Arbegast和苏晓莉等人研究了焊接速度和搅拌头转速对焊接过程温度场的影响，得出以下结论：(1)当焊接过程达到稳定状态，焊核区峰值温度低于材料的熔点，一般介于被焊材料熔点的60％一90％之间，但不排除非稳态下局部熔化的产生。
(2)焊接过程温度场在焊缝前进侧和后退侧是不对称分布的，前进侧温度略微高于后退侧的。
(3)峰值温度随着搅拌头转速的提高而上升。
随着焊接速度的提高而略微降低。
当焊接过程温度较低时。
峰值温度对搅拌头转速的变化比较敏感，略微挺高搅拌头转速峰值温度就会有很大的上升。
搅拌摩擦焊焊接工装的热力学与传热分析
搅拌摩擦焊焊接工装的热力学与传热分析搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种先进的焊接技术，在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域有着广泛的应用前景。
而搅拌摩擦焊焊接工装作为搅拌摩擦焊过程中的重要组成部分，对焊接工艺的稳定性和焊接质量起着关键作用。
本文将从热力学和传热的角度对搅拌摩擦焊焊接工装进行分析。
一、热力学分析在搅拌摩擦焊焊接过程中，焊接工装需要承受高温和高压的热力环境。
由于搅拌摩擦焊焊接工装与焊接件之间会发生严重的摩擦和冲击，工装表面温度会达到较高的数百摄氏度。
在这种极端的工作环境下，焊接工装需要具有良好的耐热性和耐磨性，以保证焊接过程的稳定性和可靠性。
除了耐热性和耐磨性之外，焊接工装的热传导性也是至关重要的。
由于焊接工装需要快速吸收和散热焊接过程中产生的热量，以保证焊接件的温度稳定，因此工装材料的热传导性对搅拌摩擦焊焊接质量有着直接的影响。
二、传热分析在搅拌摩擦焊焊接过程中，焊接工装的传热性能对焊接过程的控制和调节起着至关重要的作用。
在焊接过程中，焊接工装需要通过吸收和传导热量来稳定焊接件的温度，并确保焊接质量符合要求。
而传热不良会导致焊接工装和焊接件之间温度失衡，影响焊接接头的均匀性和稳定性。
为了提高焊接工装的传热性能，可以通过采用高导热材料、加工出合理的导热通道和散热结构等手段来提升工装的传热效率。
此外，还可以通过优化焊接工艺参数来控制焊接工装的温度分布，从而确保焊接接头的质量和性能。
综上所述，搅拌摩擦焊焊接工装的热力学和传热分析对于提高焊接质量和效率具有重要意义。
通过改进工装材料、结构和工艺参数等方面的设计，可以有效提升焊接工装的热力学和传热性能，进而改善搅拌摩擦焊焊接过程中的工艺稳定性和焊接质量。
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搅拌摩擦焊接(FSW)是由英国焊接研究所TwI针对铝合金、镁合金等轻型有色金属开发的一种高效率、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一个革命性的焊接技术”。
该方法的问世，使得以往采用传统熔焊方法无法连接的材料通过搅拌摩擦焊技术实现高质量的焊接。
目前，搅拌摩擦焊技术已在飞机制造、机车车辆和船舶制造等领域得到广泛的应用。
搅拌摩擦焊过程中产生了大量的热，这些热量主要来源于搅拌头与焊件材料接合面间的摩擦热、搅拌头附近材料的塑性变形产生的热，其中摩擦热是焊接产热的主体。
这些热量对焊缝及其附近的母材施以热循环作用，对接头性能和焊接质量起关键作用。
因此，研究搅拌摩擦焊的产热机制，建立热源解析的数学模型，可以从理论上预测材料在一定的焊接参数下所经历的热过程，对优化焊接参数、获得高质量的接头具有重要作用[1].
搅拌摩擦焊过程中，输入热量的大小和分布直接影响到焊接质量。
热输入主要来自3个方面：轴肩与焊接材料表面的摩擦热；搅拌针与焊件接触面处的摩擦热；搅拌针附近焊缝金属的塑性变形热。
试验中发现，若焊接参数选择不当，会造成焊接过程中的热输入不合理，将直接影响到焊缝的表面形貌和力学性能。
所以，研究搅拌摩擦焊接过程中温度场的变化规律对研究焊缝金属流动、分析焊接应力及变形、深入了解搅拌摩擦焊机理、制定合理焊接工艺具有十分重要的现实意义[2]。
3.Sato、Tang、Kwon、Hashimoto、Arbegast和苏晓莉等人研究了焊接速度和搅拌头转速对焊接过程温度场的影响，得出以下结论：
(1)当焊接过程达到稳定状态，焊核区峰值温度低于材料的熔点，一般介于被焊材料熔点的60％一90％之间，但不排除非稳态下局部熔化的产生。
(2)焊接过程温度场在焊缝前进侧和后退侧是不对称分布的，前进侧温度略微高于后退侧的。
(3)峰值温度随着搅拌头转速的提高而上升。
随着焊接速度的提高而略微降低。
当焊接过程温度较低时。
峰值温度对搅拌头转速的变化比较敏感，略微挺高搅拌头转速峰值温度就会有很大的上升。
而当焊接过程温度较高时。
提高搅拌头转速时峰值温度的影响相对较小。
(4)峰值温度随着转速/焊速比的提高而上升。
另外，轴间压力、搅拌头形状和倾角、时间尺寸和性能等许多因素都可以对焊接温度场造成影响。
1 摩擦搅拌焊接过程温度测量试验
1 l试验材料与设备
试验材料选用传统熔化焊方法难以焊接的2024-T4硬铝合金板，其化学成分如表1。
表1 2024铝台金的化学成分(质量分数) %
1.2试验方法与过程
焊接试验中所用2024铝合金试件尺寸为250mm×50mm×5mm板。
由于本实验采用的焊接接头主要是对接的形式，所以每次焊接前需要将两个试件并排用夹具
刚性的固定在铣床工作台上。
温度场的测量采用热电偶配合DMR2180多通道温度记录仪，实时采集焊接过程中试件不同位置处的温度数据，温度记录仪有8个通道，可以连接8个热电偶，布置位置如图1。
热电偶直径为2mm，试验前用钻床在前进侧和返回侧距离焊缝4mm、6mm、9mm和12mm处对称地钻8个φ2.5mm的小孔，测温时将热电偶分别插入相应位置。
为了避免热电偶和小孔之间的间隙影响测量结果，插入前在小孔内提前注入导热硅脂以增加热传导性。
本实验主要考察搅拌头转速ω和焊接速度ν对焊接过程温度场的影响。
图1 热电偶测温示意图（所有尺寸单位为mm）
图2 温度记录仪记录下的温度循环曲线。