搅拌摩擦焊的数值模拟(张昭,张洪武)思维导图
激光辅助加热搅拌摩擦焊3维流场数值模拟
激光辅助加热搅拌摩擦焊3维流场数值模拟宋新华;修腾飞;金湘中;袁江;宋斌【摘要】为了优化激光辅助加热搅拌摩擦焊接工艺、为焊接实验提供理论依据，采用数值模拟的方法，进行了Q235钢激光辅助加热搅拌摩擦焊3维流场模拟仿真。
模拟分析了粘塑性材料的流动行为及热量传递过程，获得了被焊材料的流动场及温度场分布。
结果表明，在焊接过程中，被焊材料主要是由后退侧向前进侧流动；激光功率为800 W、焊接速率为23．5mm／min、转速由750r／min增加至1180r／min的过程中，被焊材料的流动性变好，最高温度升高，但未超过钢的熔点，与实际实验过程中钢未熔化一致。
激光作为辅助热源，为焊接过程提供热量输入，可改善焊接材料的流动性。
%In order to optimize welding parameters of laser-heated friction stir welding ( FSW ) and provide theoretical foundation for experiments , numerical simulation was adopted and simulation of 3-D flow field of Q235 steel laser-assisted heating FSW was conducted .Flow behavior and heat transfer process ofviscoplastic material were analyzed .Flow field and temperature distribution of welding material were acquired .The results show that the welding material is transported mainly along the retreating side.When rotational speed increases from750r/min to 1180r/min under the condition of 800W laser power and23.5mm/min welding speed , the material flow gets stronger .The highest temperature rises , but not more than the melting point of steel .The phenomenon is consistent with that the steel does not melt in the process of the actual experiment .Laser, as an auxiliary heat source,can provideheat input during the welding process and can improve mobility of welding materials .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2016(040)003【总页数】5页(P353-357)【关键词】激光技术;搅拌摩擦焊接;流动场;温度场;FLUENT软件【作者】宋新华;修腾飞;金湘中;袁江;宋斌【作者单位】张家界航空工业职业技术学院航空制造工程系，张家界427000; 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;张家界航空工业职业技术学院航空制造工程系，张家界427000; 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;张家界航空工业职业技术学院航空制造工程系，张家界427000【正文语种】中文【中图分类】TG402搅拌摩擦焊技术(friction stir welding,FSW)以其焊后残余应力小、变形小和焊接接头强度高等优点被广泛应用于铝合金、镁合金和铜合金等材料的焊接。
平移速度的变化对搅拌焊接材料流动的影响
随着材料研究的发展, 材料处理过程参数的 选择与材料行为之间关系 的研究变得越 来越重 要, 在焊接 领域 尤其如 此。作为 一种 新型的 焊 接工艺 , 搅 拌摩擦 焊接 已经 开始 广泛 应用于 航 空航天、 船舶制造等工业中 , 成为焊接技 术的一 个重要 发展。其主 要优 点是 接头 变形小 , 力 学 性能好 , 节能 , 普通焊接中 出现的咬边等 缺陷不 会出现在搅 拌摩擦 焊接 的构 件中 , 主 要用于 难 以使用传统熔化焊接工艺 进行焊接的金 属材料 的连接 , 以及不同材料、 不 同厚度的板类 构件之 间的连接。 尽管搅拌摩擦焊接自 1991 年发明以来取得 了飞速的发展, 但是关于搅拌摩擦焊接的机理的 研究并不透彻。最基本的问题之一就是材料的流
( State K ey L aborat or y of Str uctura l A nalysis fo r Industr ial Equipment, Depart ment o f Eng ineer ing M echanics, Dalian U niv ersity of T echnolo g y, Da lian 摘 116024, China)
[ 8] [ 7]
的研究
显示焊接搅拌区由一系列相等的半椭圆形区域组 成。 Uzun 等 [ 9] 的工作说明不同材料的构件之间 也可以通过搅拌摩擦焊接技术实现连接。 Kw on 等 认为随着搅 拌头旋转速度的 降低, A l 1050 合金的搅拌摩擦焊接构件的强度和硬度均能得到 提高 , 特别是当转速为 560 r / min 的时候, 金属晶 粒将得到很好的细化。 Rhodes 等[ 11] 使用旋转工 具的 插 入和 拔出 技 术研 究 了搅 拌 摩擦 焊 接的 Al 7075 合 金 的 微 观 尺 寸 的 演 化。 Reynolds 等[ 12] 研究了 2 种不同转速情况下的 304L 不锈钢 的金相, 并给出了残余应力的分布。 数值模拟是研究搅拌摩擦焊接机理的有效手 段之一, Xu 和 Deng [ 13, 14] 对搅拌摩擦焊接的材料 流动情况进行了模拟 , 并进一步讨论了搅拌摩擦 焊接过程中的一些力学特征。 Chao 等 对搅拌 摩擦焊接中的传热问题进行了数值研究 , 确认在 搅拌摩擦焊接过程中, 热效率会达到 95% , 远高 于传 统焊 接 中的 热效 率。 So ng 等
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
搅拌摩擦焊
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2．搅拌焊头旋转速度 若焊接速度保持一定，即当焊接速度为定
值时，若搅拌焊头的旋转速度较低时，焊接 热输入较低，搅拌焊头前方不能形成足够的 热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔， 焊缝内易形成孔洞、沟槽等缺陷，从而弱化 接头强度。随着旋转速度的增加，沟槽的宽 度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊 缝外观良好，内部的孔洞也逐渐消失。在适 宜的旋转速度下接头才可获得最佳强度值。
LEE MAN (SCETC)
搅拌摩擦焊
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二、搅拌摩擦焊的焊接过程及特点
（一）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 种固相焊接方法，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且软化，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。在搅拌焊头与焊件表面 摩擦生热和锻压共同作用下，形成致密牢固的 固相焊接接头。搅拌摩擦焊接过程如动画所示。
LEE MAN (SCETC)
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（二）搅拌摩擦焊的焊接接头
1.接头的分区
根据塑性变形程度和热作用的不同， 将搅拌摩擦焊接头分为4个区域。
母材区
图中，d区为接头中无热作用也无塑性变形的母材区
热影响区（HAZ)
c区该区域的材料因受焊接热循环的影响，微观组织和力学性能 均发生了改变，但该区域材料没有产生塑性变形，其组织与母村 组织无明显的区别，只是消除了方向性很强的柱状晶结构，热影 响区的宽度比熔焊时窄很多。
搅拌摩擦焊接过程搅拌头几何对搅拌头受力的影响
Wei Zhang1, Yang Pan2, Rui Han2, Qipeng Liu1*, Yuehua Gao2
1School of Civil Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian Liaoning 2College of Locomotive and Rolling Stock Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian Liaoning
关键词
搅拌摩擦焊，搅拌头几何，工艺参数，搅拌头受力
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
收稿日期：2019年3月28日；录用日期：2019年4月10日；发布日期：2019年4月17日
*通讯作者。
文章引用: 张威, 潘杨, 韩锐, 刘其鹏, 高月华. 搅拌摩擦焊接过程搅拌头几何对搅拌头受力的影响[J]. 应用物理, 2019, 9(4): 169-176. DOI: 10.12677/app.2019.94021
பைடு நூலகம்
张威 等
摘要
基于DEFORM-3D软件建立AZ91镁合金板材搅拌摩擦焊全热力耦合有限元模型，对焊接过程中搅拌头受 力进行仿真研究。将模拟结果与已知实验值进行对比，验证模型的合理性。在此基础上，详细分析了轴 肩凹角和搅拌针锥角、以及工艺参数对搅拌摩擦焊过程中搅拌头受力的影响。结果表明：搅拌头的几何 形状和工艺参数对搅拌摩擦焊过程中搅拌头受力有显著影响，轴肩凹角会使搅拌头受力减小，搅拌针锥 角会使搅拌头受力增加；焊速提高搅拌头受力增加，转速增加搅拌头受力减小。
搅拌摩擦焊接中搅拌头疲劳应力计算方法
搅拌摩擦焊接中搅拌头疲劳应力计算方法
张昭;吴奇
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2015(028)006
【摘要】采用计算流体动力学模型(CFD)模拟AA6061-T6搅拌摩擦焊接过程. 基于得到的流场压力分布,计算出搅拌头受力. 搅拌头受力分为轴肩下表面摩擦阻力、搅拌针阻力和搅拌针底部摩擦力,通过与试验结果的比较验证了方法的有效性. 进一步提出计算搅拌针根部疲劳应力的解析方法,并与有限元数值解对比验证了其正确性. 结果表明,搅拌头受力和搅拌针疲劳应力随焊接转速增大而减小,随焊速的增加而增加. 但较大的转速,导致较高的疲劳应力交变频率.
【总页数】5页(P29-33)
【作者】张昭;吴奇
【作者单位】大连理工大学工程力学系, 辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024;大连理工大学工程力学系, 辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024【正文语种】中文
【中图分类】TG402
【相关文献】
1.搅拌头转速对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中晶粒生长的影响 [J], 张昭;胡超平
2.2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟 [J],
张昭;吴奇;张洪武
3.搅拌摩擦焊接中搅拌头自优化机理 [J], 张昭;谭治军;白小溪
4.2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟 [J], 张昭;吴奇;张洪武;
5.搅拌头机械载荷在搅拌摩擦焊接中的作用的数值分析 [J], 鄢东洋;史清宇;吴爱萍;Juergen Silvanus
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搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用
搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法，其通过搅拌头的旋转来使两种相同或者不同材料连接在一起。
搅拌摩擦焊焊接原理如图1所示，焊接过程中，搅拌头旋转着缓慢插入被焊工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料接近焊接材料的熔点；当搅拌头旋转着向前移动时，搅拌头附近的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和压力共同作用下，形成致密固相连接接头。
在工件与搅拌头的材料都一定的情况下，温度场主要是通过搅拌头与工件的摩擦、材料的流动和材料的塑性变形形成。
材料的流动主要取决于焊接速度、旋转速度和压力等，这些因素又决定了材料的焊接质量和微观组织。
因此，很多学者研究焊接仿真模型去优化搅拌摩擦焊的焊接工艺条件以得到更好的焊接质量。
搅拌摩擦焊的模拟发展概述搅拌摩擦焊模拟技术的发展经历了十几年的时间，中外很多专家学者对这种技术的发展做出了贡献。
由于材料流动对于材料焊接性能的影响十分重要，人们希望能预测搅拌头附近的流场。
最开始人们是想通过某种方法使得搅拌头周围的流场可视化，很多人也对此进行了大量的研究。
1999年，K.Colligan在6061-T6与7075-T6铝合金焊接材料中加入钢珠，使用X射线分析得出搅拌摩擦焊是由搅拌与材料挤压两种现象的组合。
同年，Reynolds等人进行了类似的实验，在焊缝位置把5454铝合金中嵌入到2195铝合金中，观察了不同焊接速度和旋转速度对搅拌头两侧材料流动的影响。
此外也有许多人利用不同材料对流场进行分析。
通过这种方法，Murr等人向人们展示了焊接参数变化引起的复杂流场。
Guerra等人使用在6061铝合金的焊缝上放置铜箔的方法，在焊接过程达到稳态后，停止搅拌头旋转，然后使用金相分析，展示了搅拌头附近流场的区域，旋转区与过渡区。
此外还有很多流场分析的方法, 金相分析可以补充X射线图像分析。
一文读懂搅拌摩擦焊
1搅拌摩擦焊概览搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种固相连接技术，在1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明。
与传统熔化焊相比，FSW无需添加焊丝、不需要保护气体，焊接过程无污染、无烟尘、无辐射，焊接接头残余应力低，因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等一系列优点。
经过20多年的发展，FSW已经在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到了广泛应用。
搅拌摩擦焊的原理如图1所示。
高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内，旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化，轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。
在焊接过程中，工件要刚性固定在背部垫板上，搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动，在搅拌头锻压力的作用下形成焊缝，最终实现被焊工件的冶金结合。
图1 搅拌摩擦焊接原理搅拌摩擦焊广泛适用于各类材料，目前已成功实现了铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属（铝/铜、铝/镁、铝/钢等）的焊接。
在传统技术的基础上，搅拌摩擦焊有了五大创新发展：双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、复合能场搅拌摩擦焊、搅拌摩擦增材制造。
双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding，BT-FSW）与传统FSW相比，其搅拌头为上、下轴肩结构，两个轴肩通过搅拌针连接，下轴肩取代了传统FSW的背部刚性支撑垫板，对工件进行自支撑，实现中空部件的焊接。
其焊接原理如图2所示。
上、下双轴肩的结构在焊接过程中降低了接头厚度方向的温度梯度，减小了接头组织不均匀性，可实现根部全焊透的焊接。
图2 双轴肩搅拌摩擦焊接原理1.上轴肩2.前进侧3.熔合线4.后退侧5.工件6.搅拌针7.下轴肩静轴肩搅拌摩擦焊（Stational Shoulder Friction Stir Welding,SS-FSW）采用轴肩与搅拌针分体式设计，在焊接过程中内部搅拌针处于旋转状态，而外部轴肩不转动，仅沿焊接方向行进。
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。
铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟
t
时， 长时间保温会使母材软化， 不利于力学性能
关键词 ：搅 拌 摩 擦 焊 接 ;析 出 相 ;焊 后 热 处 理 ;人 工 时 效
doi ： 10. 11868/ j . issn. 中图分类号： TG402
1005-5053. 2016. 000003 文献标识码：
A
文章编号： 1005-5053(2017)04-0019-06
2017 年 第4 期
第
第
37卷 19 - 24 页
航
空
材
料
学
报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
2017 ，V〇 L37 No. 4 pp. 19 -2 4
铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟
万 震 宇 \ 周 霞 \ 张 昭 1’ 2
( 1 . 大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室， 辽 宁 大 连 1 1 6 0 2 4 ;2 . 大 连 理 工 大 学 国际计算力学研究中心， 辽 宁 大 连 1160M )