搅拌摩擦焊过程中搅拌头受力与变形的计算方法

分析 对 于 搅 拌 摩 擦 焊 工 艺 的 进 一 步 发 展 具 有 非 常
收 稿 日期 ： ０ ０—０ ２１ ６—１ ９ 基 金 项 目：国 家 自然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目（ ０ ００ ７ 资 助 。 １８ ２ １ ）
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１ 计 算模 型描 述
的塑性 流 动在很 大程度 上 取决 于搅 拌摩 擦 焊 中的温 升 以及搅拌 头 的机 械搅 拌 作 用 。在 机 械 搅 拌 过 程 中 ， 搅
拌头 承受来 自与材 料相 对 运 动而 产 生 的摩 擦 力 以及 由
于搅拌 头移 动而产 生 的纵 向力 ， 由于 搅 拌 头 的旋转 ， 搅
程 中的变形进行 了计算。计 算结果表明 ， 搅拌摩擦焊 中的温升 对改善搅拌 头受 力具有非 常重要 的影 响， 高焊接 提 温度 ， 将大 大降低搅拌头在焊接过程 中行进 时所受 的力 ， 将极 大提 高搅拌 头 的使 用寿 命。 由于 变形量 很小 ， 这 因 此 ， 以认为搅拌针在焊接过程 中的变形对焊缝形成没有影响 。 可
算 模 型 副以及 再 结 晶计 算 模 型 Ｉ。。 目前 国内外 ＂ ２ ］
还没 有关 于搅 拌 头 受 力 的计 算 模 型 ， 文 中研 究 的 目 而
钢 、 至异种 金属 等 的连接 ， 甚 但是 对 于 不 同材 料 的
搅 拌摩擦 焊 ， 拌头 的选择 至 关 重要 Ｊ搅 拌 头 的不 同 搅 ，
３ｍ 得 到 的温度 场如 图 １所示 。从 图 １ 以看 出 ， ｍ， 可 随
着 搅拌 头转 速 的增 加 ， 大焊 接 温 度 从 ３ ４ ｏ 加 到 最 ８ Ｃ增 了 ４０ｏ ０ Ｃ。值得 注意 的是 ， 着搅 拌 头 转 速 的增 加 ， 随 不 仅最 大焊 接 温 度 增 加 ， 温 区域 也 随 之 增 加 。对 应 的 高 应力 场如 图 ２所示 。
式 中 ，ｒ Ｃ ｕｈ 应 力 。 ｏ为 ａｃｙ
２１ ０ ０年 第 ９期 ２ ９
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搅拌 摩擦 焊 过 程 中 ， 触 面 材 料 一 般 处 于 滑移 状 接 态 ， 以从 热 力 耦 合 模 型 的 温 度 场 可 以推 测 搅 拌 头 和 所 焊 接构 件接触 面 的摩擦 力 ， 中 ｏ 为屈 服应 力 ， 式 ｒ 是温 度
第十五次全国焊接学术会议论文 俘 掳
４ 结 论
设 计过 程 中发挥 重要作 用 。
通过运 动学 建 模 和仿 真计 算 ， 明 三 轴 联 动 技 术 证 方案 可 以满 足大 型椭球 薄 壁构 件 பைடு நூலகம்瓜瓣 焊 缝 椭 圆轨 迹 自动焊接 的质 量 要 求 ， 同时 也 为 运 动 机 构 的详 细 设 计
关键词 ： 搅拌摩擦焊 中图分类号 ： Ｔ ０ Ｇ４ ４ 搅拌头 纵 向力 横 向力
０ 前
言
重 要 的作 用 。尽 管搅 拌 头 受 力 可 以通过 试 验 测 定 ， 然 而 ， 了进 一 步 了解 搅 拌 头 受 力 的主 要 影 响 因素 以 为 及 降低 成本 ， 值 模 拟 成 为 一 种 有 效 地 研 究 搅 拌 头受 数
采 用基 于 固体 力 学 的有 限元 模 型 可 以模 拟搅 拌 摩
擦 焊过程 中材 料 的 温 升 、 料 流 动 以及 应 力 变 化 。 材
静水 压 力可 以 由应 力场得 到 。
１
拌 头必然 会 承受 交 变 载 荷 ， 可 能 导 致 搅 拌 头 的 疲 劳 有
破 坏 。因此 ， 对 搅 拌 头 在 搅 拌 摩 擦 焊 过 程 中 的 载荷 针
力 的方法 。
搅 拌摩 擦焊 技术 自 １９ ９ １年 发 明… 以来 ， 迅速 应 用 到 了航 空航 天 、 舶 制 造 等 工 程 领 域 ］ 船 。尽 管 搅 拌 摩
擦 焊 技 术 可 用 于 铝 合 金
、 合 金 【 铜 合 金 Ｊ 镁 、 、
针对 搅拌 摩 擦 焊 的 数 值 模 拟 ， 目前 已 经 提 出 多 个 数值 模 型 ， 括 热 源 模 型 、 热 力 耦 合 模 型 、 于 流 体 包 半 基 力学 和 固体 力 学 的热 力 耦合 模 型 等 ¨ 、 余 应 力计 残
的函数 。 ７ Ｉ — ｒ： ‘ （） ２
５０ ｒｍｉ、５ ｍｉ、０ ｍｉ 行计 算 ， ０ ｎ ５ ０ｒ ｎ ６ ０ｒ ｎ进 ／ ／ ／ 轴肩 压力 为 ７ ａ 焊速 为 ２ ４ ３ ｍ ／ ， 拌 针 直 径 为 咖 ｍ， ０ ＭＰ ， ．３ ｍ ｓ搅 ６ ｍ 长
作者简 介 ： 王 力，９ ６年 出生， 学硕 士， １７ 工 现任 清 华大学机
械 工程 系材 料 加 工 工 程 及 自动 化 实 验 室 副 主 任 。 主要 从 事 焊接 过 程 控 制 研 究 及 其 自动 化 装 备 研 制
提供 了基 础 和依 据 。上 述 实例 表 明 ， 动 学 建 模 和 仿 运 真计 算可 以在这 类大 型重 要结 构 自动焊 接 专 机 系统 的
尺 寸 以 及 形 状 均 会 对 搅 拌 摩 擦 焊 过 程 产 生 明 显 影
响¨ Ｊ 。搅 拌摩 擦焊 接过 程 中 ， 搅拌 头 周 围材料 的塑
性 流动对 于焊缝 的形 成 ， 有 非 常 重要 的作 用 ， 具 而材 料
的就 是提 出搅 拌 头 受 力 的计 算 模 型 ， 基 于计 算 得 到 并 的结果 ， 一步 分析搅 拌 头的 变形 。 进
工作 ， 承担 航 天 科技 等 多项 科 研课 题 。
搅 拌 摩 擦 焊 过 程 中 搅 拌 头 受 力 与 变 形 的 计 算 方 法
大连 理工 大 学工程 力学 系工业装备 结 构分析 国 家重 点 实验 室（ １０ ４ １６ ２ ）
摘要
张
昭
陈 金涛
张 洪武
提出了搅拌摩擦焊过程 中搅拌头受力 的计算 方法 ， 基于搅 拌针 的受力情 况 ， 搅拌头在 搅拌摩 擦焊过 对