轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响
第４３卷２００７年８月
第８期
第８６８—８７４页
金属学绞
ＡＣＴＡＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＳⅡ可ＩＣＡ
Ｖ０１．４３
Ａｕｇ．２００７
Ｎｏ．８
ＰＰ，８６８－８７４
轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形
和温度分布的影响｝
张昭刘亚丽张洪武
（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，大连１１６０２４）
摘要采用完全热力耦合模型分析轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程的影响，发现较低的轴向载荷会导致搅拌摩擦焊接无法完成搅拌摩擦焊接构件上表面材料由于受到搅拌针和肩台旋转的作用，导致上表面材料变形程度较下表面高，材料沿焊缝中心线的变形并非严格对称，前进侧材料的变形程度较后退侧高，搅拌头轴向载荷的增加会减弱这种不对称性搅拌摩擦焊接过程中的最高温度随轴向载荷的增加而增加，且搅拌头轴向载荷的增加会促使搅拌区附近的温度分布趋于均匀．
关键词搅拌摩擦焊接，完全热力耦合模型，有限元法，等效塑性应变
中图法分类号ＴＧ４５６．９文献标识码Ａ文章编号０４１２—１９６１（２００７）０８—０８６８—０７
ＥＦＦＥＣＴｏＦＶＡＲＩＡＴＩｏＮｏＦＡＸＩＡＬＬｏＡＤｏＮＭＡＴＥＲＩＡＬＤＥＦｏＲＭ舡‘ＩｏＮＳＡＮＤＴＥＭＰＥＲＡＪＩ’ＵＲＥＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩｏＮＳ
ＩＮＦＲＩＣＴＩｏＮＳＴＩＲＷＥＬＤＩＮＧ
ｚＨＡＮＧｚｈａｏ．ＬＩＵＹａｌｉ．ＺＨＡＮＧＨｏ札ｑⅢｕ
ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｄａｌｉａｎ
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＺＨＡＮＧｚｈａｏ，ｌｅｃｔｕｒｅｒ，Ｔｅｈ（０４１１１８４７０８７５１．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚ＠ｄｌｕｔ．ｃｄｕ．ｃｎ
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙ讹ｔｉｏｎａｌ讹ｒｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏＩ吼ｉｎ口（Ｎｏｓ１０２暑５２１２．１０４２１２Ｄ昌ａｎｄ１０３０２００ｎ』ｖａｔｉｏｎａＩＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｅｈＰｒｏｇｒａｍｏ／Ｃ施拥Ⅱ（Ｎｏ．２００５ＣＢ３２１７０４）ａｎｄｔｈｅＰｒ＇ｏｑｒａｍ
南ｒＣｈａｎｇｊｉａｎｇＳｃｈｏｌａｒｓａｎｄＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｅｈＴｅａｍｉｎ矾ｊｉｖｅｒｓｉｔｙ吖Ｃｈｉｎａ
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２００６１２０４，ｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２００７０３－２１
ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｕｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｉＳｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｘｉａｌｌｏａｄｏｎｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔａｘｉａｌｌｏａｄｌｅｎｄｓｔｏｔｈｅｆａｆｌａｒｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌ出ｎｇ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｏｐｓｕｒｆａｃｅｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｂｏｔｈｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｉｎａｎｄｔｈｅｓｈｏｕｌｄｅｒ．ｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｓａｌａｒｇｅｒｍａｔｅｒｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｏｐ
Ｓａｒｆａｃｅｔｈａｎｔｈａｔｎｅａｒｔｈｅｂｏｔｔｏｍｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅＩｎａｔｅｒｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｎｏｔｓｙｍｍｅｔｔｉｃｔｏｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅＴｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｔｈｅａｄｖａｎｃｉｎｇｓｉｄｅｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔＯｉｌｔｈｅｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｓｉｄｅＴｈｅａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｂｅｗｅａｋｅｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆ
ｔｈｅ脚ａｌｌｏａｄ，
ＴｈｅｉｎａｘｉｌｎｎｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｌａｔｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉＳｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅａｘｉａｌｌｏａｄＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｎｅａｒｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｏｏｌｉｎｔｈｅｎｕｇｇｅｔｚｏｎｅｃａｎｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｗｈｅｎｔｈｅａｘｉａｌｌｏａｄｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ．ｆｕｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ．ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎ
由于搅拌摩擦焊接不出现熔化现象、不需填料、可以
＋国家自然科学基金与创新群体基金项目１０２２５２１２，１０４２１２０２，１０３０２００７，国家重点基础研究发展计划项目２００５ＣＢ３２１７０４以及长江学者和剖新团队发展计划资助
收到初稿日期：２００６１２』）４，收到修改稿日期：２００７－０３—２１作者简介：张昭，男，１９７９年生，讲师，博士避免气孔夹渣的出现等特点，吸引了众多学者的注意．文献『１—５１报道了搅拌摩擦焊接在铝合金方面的实际研究成果．Ｍｉｓｈｒａ等【６】和Ｍａ等［７－１０ｊ对搅拌摩擦加工技术进行了系统性的研究，发现搅拌摩擦过程可以明显改善构件的品微结构和力学性能，这是搅拌摩擦焊接技术及加工技术具有吸引力的另外一个主要原因．搅拌摩擦加工是基于搅拌摩擦焊接技术的基本原理而发展起来的一种新型加工技术ｔｉｅ．
万方数据万方数据
第８期张昭等：轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响８６９
在数值模拟方面，Ｓｅｉｄｅｌ等【１２Ｊ使用基于流体力学的方法建立了搅拌摩擦焊接的二维模型，并研究了材料的流动情况．Ｆｏｎｄａ等【”Ｊ采用反问题方法模拟搅拌摩擦焊接并研究了搅拌摩擦焊接中的温度场的分布情况．Ｂｕｆｆａ等【１ｄ采用有限元方法模拟了搅拌摩擦焊接过程中的温度场分布和材料流动情况，并发现焊缝中心线两侧的材料流动是不对称的．Ｘｕ等【“Ｊ采用来自实验的温度数据构建数值模型中的温度场，用此方法研究了搅拌摩擦焊接过程中材料的流动行为并取得了和实验近乎一致的结果．Ｌｏｎｇ等【”』在搅拌头和焊接构件上分别增加两个电极，用来分析电增强之后搅拌摩擦焊接过程中的温度场分布情况．Ｋａｍｐ等１１７Ｊ采用数值方法研究了搅拌摩擦焊接过程中沉淀分布的演化情况．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ等【１８Ｊ研究了搅拌摩擦焊接构件整体和局部的力学响应．本文部分作者［１９－２６】采用半热力耦合的方法研究了搅拌摩擦焊接中材料的流动行为和搅拌头周围材料的应力／应变的情况，基于这些工作，研究了搅拌摩擦焊接构件的残余应力分布情况【”－２ｑ，并进一步模拟了搅拌摩擦焊接中的动态再结晶行为ⅢＪ．
尽管对搅拌摩擦焊接的数值研究已经取得了一些与实验相吻合的结果，但是鉴于搅拌摩擦焊接问题的复杂性，有必要对搅拌摩擦焊接中热力的相互耦合问题进行研究．Ｓｃｈｍｉｄｔ等【”ｊ采用基于固体力学的有限元方法模拟了搅拌摩擦焊接过程，但是在Ｓｃｈｍｉｄｔ的研究中，搅拌摩擦焊接构件上表面（与璃台接触的部分）的变形为零，这个结果与实验观察相违背．而在Ｃｈｅｎ等俐建立的模型中，未考虑搅拌针对焊接构件的搅拌作用．因此，本文尝试建立一个完全热力耦台模型，考虑搅拌针的作用并较为准确地预测搅拌摩擦焊接过程中材料的变形和温度场演化，并且进一步分析了肩台轴间压紧力的变化对焊接过程的影响
圉１焊具的尺寸示意图
Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｏｏｌ１８７７个四节点刚体单元，包含１８７９个节点．值得注意的是，本模型的肩台有一个内凹角，大小为８０．５。．搅拌探针的长度约为８ｍｍ，大于焊接构件的板厚（３ｍｉｌｌ），与实际加工情况稍有不同，如果焊具上探针的长度小于板厚，未与探针接触的焊接构件孔的表面将会由于摩擦热的存在而导致网格在径向方向出现不可控制的变形，并最终导致求解无法进行．因此，采用了大于焊接构件板厚的探针长度，以避免求解奇异现象的产生．在肩台上方施加一个轴向载荷以阻止搅拌头下方材料的叮能涌起，保证搅拌摩擦焊接过程的顺利完成．
搅拌头插入焊接构件的交接处，首先进行绕自身轴线的旋转，旋转速度为３９０ｒ／ｍｉｎ，这个过程持续５Ｓ，以使搅拌头周围的材料热塑化，从而可以在搅拌头的移动过程中达到顺利搅拌的目的．
焊接构件的材料为Ａ１６０６１一Ｔ６合金，材料的弹性模量、Ｐｏｉｓｓｏｎ比以及屈服应力与温度相关…，焊接构件的具体尺寸如图２所示．焊接构件的板厚为３ｉｎｉｎ，焊接构件取圆形板以方便划分和控制网格．焊接构件共划分１０５００个六面体单元和１２４８０个节点，节点的自由度包含３个方向的移动和温度．为了方便计算，平移速度为２．３６３ｍｍ／ｓ，被施加到焊接结构上，以等效于焊具在相反方向的移动．施加平移速度的面被定义为Ｅｕｌｅｒｉａｎ面，从而使物质点的运动与网格点分开，避免由于物质点的运动而产生低质量单元的可能性焊接内部网格和接触面网格的切向定义为Ｅｕｌｅｒｉａｎ型，从而避免由于搅拌头的旋转而造成的网格扭曲，接触面网格的法向定义为Ｌａｇｒａ－ｎｉａｎ型，以处理接触问题．单元采用单点积分模式，可以大大提高计算的效率，同时，需要采用沙漏控制以避免单元零能模式出现．焊接构件下表面固定，上表面自由并作为Ｓｌｉｄｉｎｇ面处理，焊接构件的初始温度为２５℃．
（Ｆｉｘｅｄ）
圉２焊接构件的尺寸及边界条件
Ｆｉｇ．２Ｂｏｕｎｄａｒｙａｎｄｓｉｚｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｌａｔｅ
酊一沙…谨 万方数据
万方数据
金属学报第４３卷
２本构方程及算法
对于理想弹塑性，屈服函数表述如下ｐ目
Ｆｄ（嘶ｉ）＝；一；屹一ｉ１喇２ｉ）
３接触定义
搅拌摩擦焊接过程中的热量主要由搅拌头与工件之Ｉ可的摩擦产生，在这个过程中分别流入２个接触面的热（１）通量密度
式中，吼，为Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力；ｉ为等效塑性应变；口矗为Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力的偏量部分；以为屈服应力．对于非率相关材料的相关联流动，材料的流动方向与屈服面的法线方向一致．
材料的流动法则如下：
南＝＾等（２）
式中，Ｄｐ为材料的塑性变形率，Ａ为表示衡量塑性流动率的一个标量，口’为Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ偏应力张量，万为等效应力．
求解当中应满足以下方程：
△子。＝一Ｄｅｌ：△磊（３）
式中，Ａ３。是对应力的修正；４Ａｇ。是对应变的修正；Ｄ；ｌ＝ｊ｝噜，为切向弹性矩阵（其中Ｕ为应变能密度ａＥ目ａＥｅＩ
势，Ｅ“为弹性应变张量）；：表示张量的双点乘．考虑塑性硬化，有
△吼＝ｎＡｉｈｉ。（孑，日，Ｈａ）（４）
式中，日。（ｐ）为硬化参数，引入下角标ｎ（卢）是为了说明可能存在多个硬化参数的情况；ｈ。。是对应日。的率形式的硬化规律；吾为Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力张量；０为温度．对于等温情况，由式（４）可以得到以下方程：
△豆。＝ｈ…ａＳ，十
她（等：△言。＋瓮△岛）（５）式中，△风和△ｋ分别是对△巩和ＡＡＩ的修正．在具体求解当中，只有所求的解被找到的时候流动规则才能得到精确满足，令
△亏：△＾ｆ皇：△手。＋
、ａ剥厅
石赢０２９△鼠）（６）
８若０Ｈ，Ｊ
则可以得到
△邑“舅一△君＝△ａ冀Ｏｏ－一△品１（７）
ｄ口
式中，ｇ为加载函数．
采用Ｎｅｗｔｏｎ迭代法，直到流动法则和屈服法则得到满足［３“．
ｑｍ＝ｑｋ＋ｆｍｑｇ（８）
ｑｓ＝－－ｑｋ＋矗ｑｇ（９）式中，啦为主、从接触面之间热传导产生的热通量密度，ｑ。为接触面摩擦产生的热通量密度，，为影响流入每个接触面的热通量大小的参数，下标ｉｎ和Ｓ分别代表主、从接触面．啦和ｑｇ由下式定义ｚ
吼＝女（正一晶，）（１０）
ｑｇ＝ｎｒ（＆ｓ／Ａｔ）（１１）式中，ｋ为传热系数；Ｔ表示温度；口为摩擦过程中能量耗散转换为热进入接触面的比例，在本文中取值为１；ｒ为摩擦应力；△ｓ为滑动增量；Ａｔ为时间增量．滑动摩擦应力ｒ与接触面摩擦系数ｐ和接触压力ｐｃ关系如下：
ｒ＝卯ｃ（１２）本文使用通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对所构建的模型进行实施．
４数值模拟结果
图３所示为焊缝中心线截面上不同轴向载荷情况下的等效塑性应变分布情况．由图３ａ可以看出，当轴向载荷较小时在搅拌头的后方出现了一个较为明显的材料脱开现象，说明轴向载荷是搅拌摩擦焊接工艺中一个重要的控制参数，轴向载荷不足可能会导致搅拌摩擦焊接构件无法实现可靠连接．随着轴向载荷的增加，材料脱开现象消失，如图３ｋｅ所示．当轴向载荷为７０ＭＰａ时，搅拌摩擦焊接可以顺利完成，但是值得注意的是，此时上表面等效塑性应变较高，下表面等效塑性应变很小，这是由于上表面材料除受到搅拌针作用外，还要受到肩台旋转的影响．由文献［２６，３０］可知，晶粒尺寸与等效塑性应变相关，在焊接构件的厚度方向上，等效塑性应变的不均匀分布意味着显微结构的不均匀，这对于实现可靠的连接是不利的．因此，在搅拌摩擦焊接中，得到良好焊接接头的前提是力求厚度方向上变形的均匀性随着轴向载荷的增加，搅拌头肩台在厚度方向上的影响逐渐增大，下表面的变形程度逐渐增加，这意味着较高的轴向载荷可以导致较好的搅拌摩擦焊接头．当然，轴向载荷不可能无限增加，当轴向载荷增加到一定程度时，有可能会导致出现穿透现象和熔化现象，从而使焊接失败．
图４所示为焊接构件上表面等效塑性应变的分布情况．等效塑性应变沿焊缝中心线不是严格对称的，最大等效塑性应变值发生在前进侧，随着轴向载荷的逐渐增加，焊缝两侧的材料变形逐渐变得对称．
万方数据万方数据
第８期张昭等：轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响８７１
圈３不同轴向载荷情况下搅拌摩擦焊接构件纵向截而上的等
效塑性应变分布
Ｆｉｇ．３
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ
ｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｓ（Ｅｐ）ｏｉｌ
ｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ
ｆｒｌｏｔｉｏｎ
ｓｔｉｒ
ｗｅｌｄｓｕｎｄｅｒｄｉｆｉｅｒｅｎｔ
ａｘｉａｌ
ｌｏａｄｓ
（ａ）Ｐ＝６０ＭＰａ，ｔ＝Ｏ
３
８
（ｂ）Ｐ＝７０ＭＰａ，ｔ＝ｌＯ８
（ｃ）Ｐ＝８０ＭＰａ，ｔ＝ｌＯ
ｓ
（ｄ）Ｐ＝９０ＭＰａ，ｔ＝ｌＯ
ｓ
（ｅ）Ｐ＝１００ＭＰａ，ｔ＝ｌＯ
８
图５所示为焊接构件下表面等效塑性应变的分布情况．由图可以看出，等效塑性应变值在前进侧较高，随着轴向压紧力的增加，下表面发生变形的区域也随之增加，这说明搅拌头肩台对下表面材料变形的影响随轴向载荷的增加而增加．值得注意的是，在搅拌头后方靠近后退侧，总是存在—个低塑性应变区域，并且这个区域的面积随着轴向载荷的增加而存在减小的趋势．
图６所示为当轴向载荷为７０ＭＰａ时不同时刻焊接
圈４不同轴向载荷下焊接构件上表面的等效鞭性应变分布
Ｆｉｇ．４
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｓ
ｏｉｌ
ｔｈｅ
ｔｏｐ
ｓｕｒｆａｃｅｏｆｆｒｉｃ—
ｔｉｏｎ
ｓｔｉｒ
ｗｅｌｄｓｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｓＰ＝７０
ＭＰａ（ａ），
８０ＭＰａ（ｂ），９０ＭＰａ（ｃ）ａｎｄｌ００ＭＰａ（ｄ）
构件上温度场的分布情况．从图中可以看出，在ｔ
２．５
ｓ
时，焊接构件的最高温度可以达到４２９℃；此后，随着焊
万
方数据万方数据
金属学报第４３卷
（Ｈ）
（ｃ）
图５不同轴向载荷下焊接构件下表面的等效塑性应变分布
（ｂ）
（ｄ）
Ｆｉｇ．５
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃ
ｓｔｒａｉｎｓ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｂｏｔｔｏｍｓｕｒｆａｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｓｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｓＰ－－７０ＭＰａ
（ａ）８０ＭＰａ（ｂ）９０ＭＰａ（ｃ）ａｎｄｌ００ＭＰａ（ｄ）
图６轴向载荷为７０ＭＰａ时不同时刻的温度分布
Ｆｉｇ．６
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（日）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ
ａｔ
ｔ＝２５
ｓ（ａ）５ｓ（ｂ）７．５ｓ（ｃ）ａｎｄ
１０
ｓ（ｄ）ｗｈｅｎ
ａｘｉａｌ
１０“ｉＢ
７０
ＭＰａ
万方数据万方数据
第８期张昭等：轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响８７３
缝的逐渐增加，焊接构件的最高温度的变化很小，上下浮动不超过１０℃而６０６１铝合金的熔点范围在５８０６５０℃之间，焊接最高温度为熔点的６６．２％～７４．１％，这说明搅拌摩擦焊接是一种固态焊接工艺．同时注意到搅拌头前方的温度梯度较高，搅拌头后方的温度梯度较低，这种温度场的分布形式与实验测量的结果Ｌ３５］非常吻合．图７比较了不同轴向载荷情况下的温度分布情况．由图可以看出，随着轴向载荷的增加，搅拌摩擦焊接过程中的最高温度也随之增加，从７０ＭＰａ时的大约４３０℃增加到１００ＭＰａ时的大约４６０℃，同时随着轴向载荷的增加，在肩台下方的搅拌区内的温度场趋于均匀．以上给出了不同轴向载荷情况下搅拌摩擦焊接的数值模拟结果，值得注意的是，搅拌摩擦焊接过程涉及热力耦合、大变形等问题，计算规模较大，为了增加求解的速
圈７ｔ＝ｌＯｓ时不同轴向载荷下的温度场比较
Ｆｉｇ．７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｘ＿ｉａｌｌｏａｄｓａｔｔ＝ｌＯｓ
（ａ）Ｐ＝８０ＭＰａ（ｂ）Ｐ＝９０ＭＰａ（ｃ）Ｐ＝１００ＭＰａ度，本文采用了质量放缩１０７倍的方法加快求解速度，此时在Ｐ４２４ＧＨｚ机器上本文数值模型的求解时间大约维持在２０ｈ的水平．
为了评估由于质量放缩而给数值求解带来的影响，图８给出了不同轴向载荷情况下动能与内能的比值随时间的变化情况．从图中可以看出，在计算过程中系统动能远小于系统内能，系统的动能与内能比的最大值小于１％，而
图８动能与内能的比值随时间的变化Ｆｉｇ．８Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｒａｔｉｏｏｆ
ｋｉｎｅｍａｔｉｃ
ｅｎｅｒｇｙ
ａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｅｎｅｒｇｙ
ｗｉｔｈｔｉｍｅｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｓｐ＝７０ＭＰａ（ａ），
８０ＭＰａ（ｂ），９０ＭＰａ（ｃ）ａｎｄｌ００ＭＰａ（ｄ） 万方数据
万方数据
８７４金属学报第４３卷
一般要求这一比值小于缩系数是合适的．
５结论１０％［３４】，因此本文使用的质量放［１５】ＸｕＳ，ＤｅｎｇＸ，ＲｅｙｎｏｉｄＢＡＰ’ＳｃｉｄｅｌＴＵ．ＳｃｉＴｅｃｈｎ。ｊ
ＷｅｌｄＪｏｉｎｉｎｇ．２００１；６：１９１
采用基于固体力学的有限元法模拟了搅拌摩擦焊接的完全热力耦合过程，并分析了轴向载荷的变化给搅拌摩擦焊接带来的影响．主要结论如下：
（１）较低的轴向载荷会导致搅拌摩擦焊接无法完成，因此，轴向载荷是保证搅拌摩擦焊接顺利完成的主要工艺参数之一
（２）搅拌摩擦焊接构件上表面材料受到搅拌针和肩台旋转的作用，导致上表面材料变形程度较下表面高．（３）材料沿焊缝中心线的变形并非严格对称，前进侧材料的变形程度较后退侧高，搅拌头轴向载荷的增加可减弱这种不对称性．
（４）搅拌摩擦焊接过程中的最高温度随轴向载荷的增加而增加．
（５）搅拌头轴向载荷的增加会促使搅拌区附近的温度分布趋于均匀．
本研究得到了美国Ｓｏｕｔｈｃａｒｏｈｎａ大学ＸｉａｏｍｉｎＤｅｎｇ教授以及ＳｈａｏｗｅｎＸｕ博士的帮助，谨致谢忱
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万方数据万方数据
轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的
影响
作者：张昭， 刘亚丽， 张洪武， ZHANG Zhao， LIU Yali， ZHANG Hongwu
作者单位：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,大连,116024
刊名：
金属学报
英文刊名：ACTA METALLURGICA SINICA
年，卷(期)：2007,43(8)
被引用次数：1次
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引证文献(1条)
1.徐韦锋.刘金合.栾国红.董春林厚板铝合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能[期刊论文]-金属学报 2008(11)本文链接：https://www.wendangku.net/doc/9b42581.html,/Periodical_jsxb200708016.aspx