搅拌摩擦焊热源分析
搅拌摩擦焊连接实验报告
1、首先将铝合金进行清洗去除表面的油污，然后进行搅拌摩擦焊接；
2、在焊好的试件上切片，制备金相组织观察试样；
3、将已制备好的试片在显微镜下进行观察与分析，分清焊接接头各区域后，仔细辨认各区组织的特征。
五、实验结果的整理和分析
搅拌头旋转速度：1200r/min
工件进给速度：300mm/min
分析铝合金搅拌摩擦焊接头各区域组织变化的特征，说明各组织的形成机理及对焊接接头性能的影响。
实验分析：:选择了适合于6061-T4铝合金板材搅拌摩擦焊的工艺参数:焊接时搅拌头旋转速度为1200 r.min-1,工件的进给速度为300 mm.min-1,在此参数下获得了与母材等强度、韧性接近于母材的焊接接头,FSW板材接头焊核区的组织和性能明显优于其他区,热影响区是接头最薄弱的部分,焊核区的硬度最高,而热影响区的硬度最低,焊缝金属发生回复再结晶使晶粒细化。断口分析表明,断裂发生在热影响区,由于搅拌头的旋转运动和热量的累积,该区存在晶粒长大、组织粗化现象。对工艺参数的优化实验表明,搅拌头旋转速度与焊接速度对接头性能的影响存在一定的适配关系,通过工艺参数的调整可以有效地控制热影响区的焊缝组织和改善焊接接头的性能。细晶强化是搅拌摩擦焊接头强度与韧性提高的主要原因。
搅拌摩擦焊连接实验报告
一、实验目的
1、了解在搅拌摩擦焊过程中，材料在热-机械力作用下形成牢固连接的基本原理，掌握基本实验技能。
2、了解搅拌摩擦焊接头各区域的组织及性能特点。
二、实验装置与实验材料
1
由铣床自行改造的搅拌摩擦焊机
1台
2
不同结构的搅拌头
各2个
3
δ= 3mm及δ=6mm铝合金试板（60×120）
各40块
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。
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。
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!
《2024年搅拌摩擦焊热循环形成规律及热输入控制研究》范文
《搅拌摩擦焊热循环形成规律及热输入控制研究》篇一一、引言搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种固相焊接技术，其独特的焊接过程涉及了热循环的形成与控制。
本文旨在探讨搅拌摩擦焊过程中的热循环形成规律以及热输入控制的研究，为优化焊接工艺、提高焊接质量提供理论支持。
二、搅拌摩擦焊概述搅拌摩擦焊是一种通过摩擦热和塑性变形实现焊接的工艺。
在焊接过程中，搅拌头旋转并施加压力，使被焊工件在摩擦热的作用下达到塑性状态，进而实现工件的连接。
此过程中，热循环的形成及热输入的控制对焊接质量起着至关重要的作用。
三、热循环形成规律（一）热循环的基本过程搅拌摩擦焊过程中的热循环主要包括预热阶段、稳态焊接阶段和冷却阶段。
在预热阶段，搅拌头通过旋转和施加压力，使被焊工件表面达到一定温度；进入稳态焊接阶段后，焊接区域达到稳定的塑性状态；冷却阶段则是在焊接完成后，焊接区域逐渐降温的过程。
（二）热循环的影响因素热循环的形成受多种因素影响，包括搅拌头的形状、转速、焊接压力、工件材料等。
不同因素对热循环的影响程度不同，需要通过实验和模拟分析来确定最佳参数组合。
四、热输入控制研究（一）热输入控制的重要性热输入是搅拌摩擦焊过程中的关键参数之一，对焊接质量有着重要影响。
合理的热输入控制可以保证焊接区域的温度场分布均匀，避免过热或过冷现象，从而提高焊接接头的力学性能。
（二）热输入的控制方法1. 调整搅拌头的形状和尺寸：通过改变搅拌头的形状和尺寸，可以调整焊接过程中的摩擦热量和塑性变形程度，从而实现对热输入的控制。
2. 控制搅拌头的转速和进给速度：搅拌头的转速和进给速度直接影响焊接过程中的摩擦热量和焊接速度。
通过调整这两个参数，可以实现对热输入的精确控制。
3. 采用闭环控制系统：通过实时监测焊接过程中的温度、力等参数，采用闭环控制系统对热输入进行实时调整，保证焊接过程的稳定性和一致性。
五、实验与结果分析（一）实验设计为了研究搅拌摩擦焊过程中的热循环形成规律及热输入控制，设计了多组实验。
铝合金搅拌摩擦焊变形有限元分析
铝合金搅拌摩擦焊变形有限元分析发表时间：2019-07-08T10:49:00.213Z 来源：《电力设备》2019年第5期作者：赵鹏程伍大为[导读] 摘要：铝合金，尤其是2XXX和7XXX系列硬铝和超硬铝合金，具有良好的耐蚀性、导电性、延展性，且外形美观等一系列性能优点。
(天津航空机电有限公司天津 300300)摘要：铝合金，尤其是2XXX和7XXX系列硬铝和超硬铝合金，具有良好的耐蚀性、导电性、延展性，且外形美观等一系列性能优点。
随着材料科学、加工技术的发展，铝合金在工业中的比重越来越大，应用范围也越来越广泛。
铝合金的最主要连接方法是焊接，在现有的焊接方法中，搅拌摩擦焊技术（frictionstir welding，简称FSW）以变形小、焊缝力学性能好、易于实现工业自动化等优点成为铝、镁合金焊接的最好方法之一。
通常认为，FSW 技术成形的焊件变形及残余应力较小。
但对于较大尺寸的焊件，变形及残余应力都不可忽略。
尤其在焊件后期使用过程中，变形及残余应力存在对焊件疲劳性能的影响巨大，因此开展FSW技术的变形研究具有重要意义。
本文针对航空用7022铝合金平板进行了FSW试验，检测并记录了相关参数，采用三坐标测量仪测量平板变形情况。
同时利用有限元软件，模拟仿真焊件温度场、应力及变形情况。
比较试验和仿真结果的差异，为大型复杂结构焊接件的变形提供了研究基础。
关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；数值仿真；焊接变形1、有限元模拟采用ANSYS分析软件建立三维有限元模型对7022铝合金的搅拌摩擦焊接过程进行模拟。
模拟中采用热－力单向解耦计算方法，先计算焊接温度场，每个节点在每个增量步的温度以数据文件形式输出，并在力学分析模型中将温度场结果作为边界条件按照对应时间读入模型中进行力学分析计算。
1.1几何模型与网格划分为了简化计算模型和节省分析时间，没有对装夹装置和焊接试验平台进行几何模型建模，试样的几何尺寸和试验中的板材一致。
搅拌摩擦焊资料
搅拌摩擦焊一、搅拌摩擦焊的定义及原理搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是基于摩擦焊技术的基本原理，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种新型固相连接技术。
与常规摩擦焊相比，其不受轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。
与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接；焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低；因而，搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。
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形状的焊头(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。
二．搅拌摩擦焊焊接过程搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相连接方法，但与常规摩擦焊有所不同。
在进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊件牢牢地固定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密．接触，搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形。
随着搅拌焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后。
在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密的固相连接接头。
搅拌摩擦焊接过程如图所示:三．搅拌摩擦焊工艺（一）、搅拌摩擦焊接头形式搅拌摩擦焊可以实现棒材一棒材、板材一板材的可靠连接，接头形式可以设计为对接、搭接、角接及T形接头，可进行环形、圆形、非线性和立体焊缝的焊接。
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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。