《搅拌摩擦焊的数值模拟》
逆向差速搅拌摩擦焊接材料塑性流变和热场的数值模拟_石磊
月 2014 年 8 月
石
磊等：逆向差速搅拌摩擦焊接材料塑性流变和热场的数值模拟
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设计出轴肩与搅拌针分离并反向差速旋转的逆向差 速搅拌摩擦焊接 (Reverse dual-rotation friction stir welding，RDR-FSW)新工艺，这种新工艺能够通过 分别调整轴肩与搅拌针的转速，从而到达良好的转 速匹配，进而减小轴肩外径附近工件表面出现的过 热、飞边或熔化趋势；同时焊接载荷得以降低。 搅拌摩擦焊接过程中的产热、传热以及材料流 动对接头的组织演变及最终的力学性能有着十分重 [7] 要的影响 。针对常规搅拌摩擦焊接过程中的材料 [7-12] 流动及温度分布，研究者开展了一系列工作 。 然而在逆向差速搅拌摩擦焊接过程中，随着搅拌针 和轴肩的分离，两者在焊接过程中各自的运行参数 及其联合作用所引起的产热、传热情况更加复杂， 各工艺参数之间的匹配问题急需工艺基础理论的指 导。但目前仅有很少文献从工艺试验的角度验证了 [4-6] 这一新工艺的优越性 ， 尚缺乏对其材料塑性流变 行为和温度分布特点进行分析。本文针对 RDR-FSW 焊接工艺过程特点，综合考虑焊接过程 中的摩擦产热和塑性变形做功作用，建立 RDR-FSW 焊接过程数理模型，研究了焊接过程中 的温度分布、材料流动模式、应变速率以及黏度分 布规律，并与常规 FSW 进行了对比。
由于接触面存在摩擦和塑性剪切变形做功两 者的共同作用，则在轴肩与工件接触界面的热流密 度边界条件为
k
式中
100 mm×5 mm。
T f c +(1 ) f p2 2 r u sin n
(6)
f ——接触界面产热传入工件的比率[17]。
搅拌针与内部小轴肩随焊机主轴逆时针旋转， 同外部辅助轴肩相类似，只是界面相对速度发生改 变，则在内部小轴肩与工件接触界面的热流密度边 界条件为
逆向差速搅拌摩擦焊接材料塑性流变和热场的数值模拟
逆向差速搅拌摩擦焊接材料塑性流变和热场的数值模拟石磊;武传松;刘会杰【期刊名称】《机械工程学报》【年(卷),期】2014(50)16【摘要】逆向差速搅拌摩擦焊接是一种搅拌针与轴肩分离并逆向差速旋转的搅拌摩擦焊接新工艺。
为了实现逆向差速搅拌摩擦焊接的工艺优化,掌握焊接工艺参数对接头组织和性能的影响规律,需要深入研究这一新工艺涉及的热物理机制。
综合考虑焊接过程中的摩擦产热和塑性变形做功作用,建立逆向差速搅拌摩擦焊接过程中材料流动与热分布的三维耦合数理模型,研究焊接过程中温度分布特征、材料流动规律、搅拌头附近的应变速率分布以及黏度分布情况,获取焊接过程中搅拌头附近的材料流动规律、应变速率以及黏度分布的规律。
对比分析逆向差速搅拌摩擦焊与常规搅拌摩擦焊在温度分布、材料流动以及搅拌头附近应变速率和黏度分布的差异。
焊缝横断面的数值模拟结果与试验实测结果基本吻合。
【总页数】7页(P140-146)【关键词】逆向差速搅拌摩擦焊;数值模拟;产热模型;传热过程;材料流动;reverse;dual-rotation;friction;stir;welding;(RDR-FSW)【作者】石磊;武传松;刘会杰【作者单位】山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室;哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TH53;TG456【相关文献】1.2024铝合金板搅拌摩擦焊接塑性材料流动的可视化检测与数值模拟 [J], 武传松;张文斌;石磊;陈茂爱2.差速搅拌捏合机三维流场的数值模拟分析 [J], 樊智敏;解培玉;高亮3.2024铝合金板搅拌摩擦焊接塑性材料流动的可视化检测与数值模拟（英文）[J], 武传松;张文斌;石磊;陈茂爱4.差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场及流动特性数值模拟 [J], 王大帅; 高月华; 刘其鹏; 韩锐; 潘杨5.双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析 [J], 吴东; 李文亚; 温泉; 刘西畅; 高彦军; 杨君因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
5052铝合金搅拌摩擦焊残余应力场数值模拟研究
差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场及流动特性数值模拟
收稿日期院2019-0远-圆园；修回日期院2019-园苑-园员 基金项目院辽宁省自然科学基金（20170540120，2015020120）；大连市高层次人才创新支持计划（2015R075） 作者简介院王大帅（1995—），男，在读硕士，主要从事搅拌摩擦焊的研究。E-mail：569855680@。 通讯作者院刘其鹏（1981—），男，博士，副教授，主要从事轨道交通结构与工艺数值分析以及疲劳强度计算的研究。E-mail：liuqp@djtu.
第 源9 卷 第 8 期 圆园员9 年 8 月
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本文参考文献引用格式：王大帅，高月华，刘其鹏，等. 差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场及流动特性数值模拟[J]. 电焊机，2018，48（08）： 49-54.
差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场 及流动特性数值模拟
王大帅 1袁高月华 1袁刘其鹏 2袁韩 锐 1袁潘 杨 1
（1.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028；圆.大连交通大学 土木工程学院，辽
宁 大连 116028）
摘要：为研究差速双轴肩搅拌摩擦焊接过程中温度特性、应变分布与材料流动规律，基于 DEFORM-3D
粤遭泽贼则葬糟贼：In order to study the temperature characteristics, strain distribution and material flow law during differential bobbin tool
搅拌摩擦焊接过程温度场数值模拟
搅拌摩擦焊接过程温度场数值模拟王希靖;韩晓辉;郭瑞杰;李晶【期刊名称】《焊接学报》【年(卷),期】2005(026)012【摘要】在深入考虑搅拌摩擦焊的具体焊接过程后,提出了简化的热输入模型.利用ANSYS有限元分析程序建立了随热源一起移动的坐标系,采用分步加载的方法对搅拌摩擦焊过程的温度场进行了模拟.得到了3 mmLY12硬铝合金薄板在整个焊接过程中焊缝区每一时刻的瞬态温度场以及焊缝区各点的焊接热循环曲线,确立了温度场空间分布和时间变化的规律,并且通过测量特征点的实际温度验证了计算结果的准确性.【总页数】4页(P17-20)【作者】王希靖;韩晓辉;郭瑞杰;李晶【作者单位】兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;中国南车集团四方机车车辆股份有限公司,山东,青岛,266031;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG459【相关文献】1.7022铝合金搅拌摩擦焊接全过程温度场的数值模拟 [J], 董学伟;黎向锋;左敦稳;汪洪峰;王吉胜;董春林;李光2.镁合金AZ31搅拌摩擦焊接温度场数值模拟 [J], 张华;林三宝;吴林;冯吉才3.2219铝合金厚板搅拌摩擦焊接温度场数值模拟 [J], 徐韦锋;刘金合;朱宏强4.异种不锈钢搅拌摩擦焊接温度场数值模拟 [J], 刘坡;郭国林;邱型宝;吴柯寒5.双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析 [J], 吴东; 李文亚; 温泉; 刘西畅; 高彦军; 杨君因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
厚板双轴肩搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟
厚板双轴肩搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟夏佩云;尹玉环;赵慧慧;刘雪梅;封小松;郭立杰【摘要】The numerical model was established to simulate the 30 mm-thick bobbin tool friction stir welding process,which calculated the temperature field and flow field of two different bobbin tools.It is implied that the high temperature area is near the shoulder,which reduced along the depth to the central plane of the thick plates.The temperature in retreating side is higher than the advancing ing the cone-shape probe caused higher temperature than cylinder-shaped tool It is indicated that material near the FSW shoulder flows more fiercely than inside zone.It flows more turbulently using the screw thread structure than the parallel-grooves probe,which is coincide with the weld shape results.%针对30 mm 厚5A06铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的焊接过程,建立温度场及流场的数值模型,计算两种搅拌工具作用下的温度场及流场分布情况.模拟结果发现,双轴肩搅拌摩擦焊接过程中,双轴肩搅拌摩擦焊温度场靠近轴肩区域的温度高,沿板厚中心方向温度逐渐降低,呈哑铃状分布,后退侧温度高于前进侧温度;采用锥形搅拌针焊接时的焊缝温度高于圆柱形搅拌针作用的焊缝.流动场模拟结果表明,工件上、下表面轴肩作用范围内的材料流动最为剧烈,工件内部材料流动相对较弱,采用平行槽结构的搅拌针材料呈横向流动规律,而螺纹结构的搅拌针作用下材料流动较紊乱,材料流动情况与两种搅拌工具作用下的焊缝形貌吻合较好.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2018(048)003【总页数】6页(P294-299)【关键词】双轴肩FSW;搅拌针形状;温度场;流动场;焊缝形貌【作者】夏佩云;尹玉环;赵慧慧;刘雪梅;封小松;郭立杰【作者单位】上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245;上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245;上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245;山东大学,山东济南250100;上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245;上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245【正文语种】中文【中图分类】TG453+.90 前言搅拌摩擦焊作为一种先进的固态连接技术，具有应力变形小、可靠性高、焊接缺陷少、力学性能好、绿色焊接等优点[1-2]，广泛应用于航天、航空、船舶、电子等行业领域。
DEFORM Welding(2)-FSW搅拌摩擦焊模拟技术(ALE法)
DEFORM Welding(2)-FSW搅拌摩擦焊模拟技术（ALE法） 搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，通过搅拌针的高速旋转，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来完成焊接。
在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头与工件之间的摩擦热，使前面的材料发生强力塑性变形，然后随着焊接头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了更好的技术解决方法，FSW主要用于包括航天筒体结构件、航空薄壁结构件、船舶宽幅带筋板、高速列车车体结构、大厚度雷达面板、汽车轮毂、集装箱型材壁板、各种结构散热器及热沉器等。
FSW搅拌摩擦焊工艺传统的FSW搅拌摩擦焊工艺模拟基本采用拉格朗日增量法进行计算，但是焊接过程中材料变形剧烈，温度升温快，对热固耦合的计算能力要求高。
随着变形的进行，网格将产生大变形，需要具备极其强大的单元重划分能力，否则将无法实现计算收敛。
网格的不断重划分也同样会造成计算时间的延长，传统的拉格朗日算法可能需要数天甚至更长时间来完成FSW计算。
Deform Welding的FSW搅拌摩擦焊工艺模拟除采用传统的拉格朗日增量法外，其基于ALE方法的搅拌焊模拟更加高效和便于使用。
ALE算法避免了摩擦焊过程中单元的大量重划分过程，无论在计算收敛性还是计算速度方面都得到了极大的提升。
往往采用ALE法的FSW模拟过程，仅需数个小时即可计算完毕。
Deform FSW搅拌焊模拟Deform Welding FSW可实现如下功能：具备ALE网格重划分功能，通过较少次数的细化实现搅拌移动过程的材料变形处理；ALE法FSW网格处理能够在同一个模型里定义不同的材料类别及混合相，从而实现搅拌焊过程中焊缝区域的材料混合计算；焊缝区域不同材料相的混合百分比能够计算搅拌焊材料流动方向及速度，分析不同的搅拌转速、搅拌头移动速度、搅拌头结构对搅拌焊结果的影响；搅拌头附近的材料流速及流向能够计算搅拌过程应力应变、温度场数据；能够同时考虑搅拌头搅拌过程下压力对焊接结果的影响；搅拌焊件温度场分布焊件应力应变分布。
搅拌摩擦焊准稳态温度场数值模拟
搅拌摩擦焊准稳态温度场数值模拟殷鹏飞;张蓉;熊江涛;赵凯;李京龙【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2012(030)004【摘要】搅拌摩擦焊接过程中的准稳态温度场分布对最终接头的焊接质量有着十分重要的影响,文中在深入分析搅拌摩擦焊物理过程的基础上综合考虑了摩擦产热和塑性变形产热作为其热源,建立了相应的温度场数值模型,在此基础上运用COMSOL有限元软件对工业纯铝1100在转速750 r/min、焊接速度300 mm/s 工艺参数下的准稳态温度场进行计算,并利用红外测温装置对计算结果进行验证,结果表明该模型可以较准确地描述搅拌摩擦焊准稳态的温度场分布.【总页数】6页(P622-627)【作者】殷鹏飞;张蓉;熊江涛;赵凯;李京龙【作者单位】西北工业大学理学院空间应用物理与化学教育部重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学理学院空间应用物理与化学教育部重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学材料学院陕西省摩擦焊接重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学理学院空间应用物理与化学教育部重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学材料学院陕西省摩擦焊接重点实验室,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TG459【相关文献】1.异种不锈钢搅拌摩擦焊接温度场数值模拟 [J], 刘坡;郭国林;邱型宝;吴柯寒2.差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场及流动特性数值模拟 [J], 王大帅; 高月华; 刘其鹏; 韩锐; 潘杨3.双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析 [J], 吴东; 李文亚; 温泉; 刘西畅; 高彦军; 杨君4.基于CEL模型的搅拌摩擦焊温度场及材料流动数值模拟 [J], 武晓燕;罗巍;曹志明;王怡嵩;江海涛5.激光熔覆熔池二维准稳态流场及温度场的数值模拟 [J], 曾大文;谢长生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
紫铜搅拌摩擦焊的温度场测试及数值模拟 精品
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｒｉ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｉ ｒ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ； ｃ ｏ ｐ ｐ ｅ ｒ ； ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｒ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ
０ 引 言
搅拌 摩 擦焊 （ Ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｔ ｉ ｒ Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ， 简称 Ｆ Ｓ Ｗ） 是
动时 ， 搅拌 头前 方 的热塑性 金 属流 向搅 拌头 的后方 ，
并 通 过 相互 扩 散与 再结 晶牢 固地结 合 在 一起 ， 从 而 形 成搅 拌摩 擦焊 缝 。 目前在 国内外 进 行较 多 的是 各 种 铝及 铝 合金 的搅拌 摩 擦 焊研 究 ， 对 于铜 及 铜合
金 的搅拌摩擦焊研究较少 。对于紫铜的焊接现在主
摘 要 ： 针对 Ｔ ２紫 铜 的搅 拌 摩 擦 焊 技 术， 对 紫 铜 搅 拌 摩擦 焊温 度 场 进 行 了数 值 模 拟 和 实 验 验 证 。结 果 表 明 ， 对 于 紫 铜搅拌摩擦焊 ， 焊 接 时工 件 温 度 较 高 ， 焊 接 区最 高 温 度 接 近 ７ ０ ０ ｏ Ｃ， 温 度 分 布 以搅 拌 头 为 中 心 ， 呈 放 射 状 向 四周 逐 步
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第1章绪论
搅拌摩擦焊构件的焊接质量主要与搅拌摩擦焊的焊具及工艺参数有关，其中包括搅拌头的几何形状、旋转速度、焊接速度、焊具倾角、轴向压力等。
搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心。
在搅拌摩擦焊生产中，搅拌头起到提供焊接热能量及带动母材流动的作用。
伴随着搅拌头的高速旋转，搅拌头长期处于与母材材料的摩擦作用力下，生产中需要经常更换搅拌头，以保证搅拌头表面的粗糙度，用以提供足够的摩擦热。
因此，搅拌头表面常出现磨损严重的问题；除此以外，搅拌头也有可能出现断裂破坏的情况，这也同样与搅拌头的受力情况密切相关。
因而在长期的摩擦力和压力作用下，搅拌头的疲劳性能是需要关注的。
搅拌头在焊接过程中将同时承受剪切及弯曲的组合作用力
搅拌头形状，采用不同形状的搅拌头进行焊接，母材区的焊后纹理、微观晶粒尺寸及焊后焊材力学性能的变化是复杂的。
焊缝附近材料上任一点都将经历一个迅速升温、缓慢降温的温度时间历程
焊后残余应力场
搅拌摩擦焊中若所焊构件为单一材料，则残余应力场中前进侧残余应力值将略高于返回
侧应力值，若材料不同，则最大残余应力将产生在屈服强度或材料硬度较高的一侧
焊接过程中，焊核区内将经历热高温过程，使得材料内析出相完全溶解，材料硬度降到最低，此区域被称为软化区
焊接过程中，热量的产生主要由搅拌头与焊接构件摩擦生热及材料塑性变形生热构成。
其中，轴肩与构件接触摩擦力做功生热占绝大多数比例，是大多数模型中解析计算热输入的主要依据。
在搅拌头与焊接构件的接触定义上，通常采用：滑移接触、黏滞接触，滑移和黏滞混合接触，主要区别在于定义与搅拌头接触处的焊接构件材料运动速度与搅拌头速度的比值δ，若δ为0，则为滑移接触类型，若δ为1，则为黏滞接触类型，若介于0~1，则为混合接触类型。
不同的δ值选取，将会影响最终热输入量的计算。
搅拌头的磨损变形改变了搅拌头的几何形状，将降低焊后构件接头质量。
当使用搅拌摩擦焊焊接硬质材料，如不锈钢、钛合金时，上述问题愈加明显。
对此，许多数值模拟工作把搅拌头的疲劳、磨损和寿命等问题作为主要研究对象。
焊后构件材料的晶粒尺寸分布，是搅拌摩擦焊工艺中较为关心的重要参数。
基于数值模拟计算焊接区域晶粒尺寸分布。
纵向拉伸残余应力场在焊缝两侧并不对称分布，不对称分布的主要原因是焊缝两侧不对称的温度场历程和搅拌头搅拌摩擦力场的影响
对于异种材料间的搅拌摩擦焊，研究表明其焊接接头往往具有特殊的微观结构和力学性能。
针对异种材料搅拌摩擦焊的数值模拟目前处于初始阶段，需要解决异种金属间相互作用机理和融合机理，在数值模拟方面具有挑战性，需要对相关理论进行进一步完善。
第2章有限元基础和数值模拟
有限元方法是搅拌摩擦焊数值模拟的重要方法，在搅拌摩擦焊的传质传热、残余应力、搅拌头受力与疲劳等问题的研究中起到了重要作用。
弹性力学基础：平衡方程、几何方程与变形协调方程、物理方程
变分原理基础
有限元基础：三角形单元、矩形单元、四面体单元、六面体单元
基于自适应网格重剖分的FSW模型通常采用四面体网格作为初始网络和更新网络
六面体单元：与四边形等叁单元类似，六面体单元也分为线性单元、二阶单元和三阶单元。
线性单元有8个节点，二阶单元有20个节点，三阶单元有32个节点
基于任意欧拉和拉格朗日网络技术的FSW模型通常采用六面体网格进行网格划分和网格控制
数值积分：Newton-Cotes积分、Gauss积分
本构方程：非率相关本构模型、率相关本构模型、Perzyna模型、Duvaut-Lion模型、Cowper-Symonds过应力模型
非率相关本构模型：von Mises 屈服条件、Tresca屈服条件
在搅拌摩擦焊的自适应网格重剖分模型中，更多的是使用Arrhenius 方程描述在高温下合金应变率流应力与温度之间的关系
数值模型：移动热源模型、顺序热力耦合模型、欧拉模型和任意拉格朗日-欧拉模型、自适应网格重剖分模型、光滑粒子法数值模型、流体力学模型
移动热源模型：面热源模型、面-体热源模型、自适应面热源模型、自适应面-体热源模型。
目前采用移动热源模型方法可以模拟搅拌摩擦焊过程中的温度场变化，有限元网格通常采用在焊缝附近局部加密，以保证求解的精度。
面热源模型——只考虑轴肩与构件之间的摩擦生热，热流密度可表示为
面-体热源模型——在数值模拟中，热量分布在搅拌头轴肩和搅拌针两个区域，分别用面热源和体热源进行模拟
自适应面热源模型——假定搅拌头与材料无相对滑移，材料跟随搅拌头塑性流动，材料剪切流变应力为搅拌头与构件之间的剪切应力。
自适应面-体热源模型——当使用螺纹型搅拌针时，搅拌针的产热包括对材料剪切做功，螺纹表面摩擦做功，搅拌针表面摩擦做功。
当使用锥形搅拌针时，轴肩和搅拌针的热输入量都会发生变化。
瞬态温度场与稳态温度场主要的差别是瞬态温度场的场函数温度不仅是空间域的函数，而且还是时间域的函数。
顺序热力耦合模型——通过移动热源获得的温度场，将温度场转换为热载荷，进行热力耦合分析计算，即为此时的模型，该模型适用于搅拌摩擦焊构件残余应力的数值模拟。
焊接过程中伴随着剧烈的温度变化，需要考虑材料的非线性性质。
应力与应变变形为非线性关系，但是在一个微小的应变增量步内应力和应变可以看成线性关系。
焊接过程中，材料不仅经历弹塑性变形，而且伴随着温度的变化，则屈服函数是应力和温度的函数。
欧拉模型和任意拉格朗日-欧拉模型：欧拉网格、ALE网格。
ALE 网格模型中焊接构件的边界条件如图，在边界处为欧拉网格，用以定义入口和出口流动，等效为搅拌头反方向的平移，除流动方向，欧拉边界的其他运动均要被固定。
在欧拉边界内部，采用ALE 网格控制。
在搅拌摩擦焊数值模拟中，需要将搅拌头-焊接构件接触面法线向方向的网格设置为拉格朗日型，而切向和内部垂直方向设置为欧拉型，在ALE模型和欧拉模型中，欧拉型网格需要设置网格约束，将网格点在给定方向上固定，以保证网格不会出现缠绕或畸变。
搅拌摩擦焊ALE网格模型目前都是热力耦合模型，在动力学分析中，材料的力学响应由运动微分方程控制。
第3章传质和传热。