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第26卷 第3期 焊 接 学 报 vo1．26 N。．3 2005年 3月 TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDING INSTITUTION March 2005 搅拌摩擦焊接热输入数值模型 王大勇， 冯吉才， 王攀峰 (哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨 150001) 摘 要：根据搅拌摩擦焊接特点，建立了轴肩 、柱形搅拌针和锥形搅拌针热输入数值模 型，并分别讨论了搅拌针锥角对轴肩和锥形搅拌针热输入的影响。结果表明，锥角增 大，轴肩热输入降低；锥形搅拌针侧面热输入增大；搅拌针端面热输入降低；搅拌针总的 热输入先下降，然后迅速上升。 关键词：搅拌摩擦焊；热输入；数值模型 中图分类号：TG453 ．9 文献标识码 ：A 文章编号：0253—360X(2005)03—25 05 王大勇 0 序 言 ’(2)忽略焊接过程中焊件材料因变形而产生的 热量； 搅拌摩擦焊 (简称FSW)是一种新的连接方法， (3)假设没有热损失，搅拌头热输入等于搅拌 通过高速旋转的搅拌头与被焊材料表面间生成的摩 头与焊件界面摩擦力所做的功。 擦热而实现的固相连接 J。具有焊接温度低，接 头残余应力小，性能高，无气孔，无裂纹等优点。 2 数值模型 搅拌摩擦焊接生成热主要来源于三部分 J： (1)轴肩与焊件上表面间的摩擦热(轴肩热输入)； 2．1 轴肩热输入数值模型 (2)搅拌针与焊件接合面间的摩擦热(搅拌针热输 轴肩／焊件接触面上的应力为 入)；(3)搅拌针附近焊缝金属的塑性变形热，其中 F 摩擦热是形成生成热的主体。这些生成热随着搅拌 = L】 ， (1) 头沿焊缝方向行走 ，对焊缝及焊缝附近的母材施 以 式中：为应力；F为轴肩肩台表面受到的轴向力 热作用。如果生成热过高，将导致材料中沉淀相的 (指向轴肩肩台表面且平行于搅拌头轴线，如图 1 溶解 J，焊缝和热影响区发生严重软化 ·。 所示)。 热输入模型是研究热传导模型的前提。只有建 在轴肩肩台下表面取一微元，其面积为 cL4，如 立合适的热输入模型，才能从理论上精确地预测材 图2所示。 料在一定工艺下焊接时经受的热循环状态，进而预 测组织演变、优化焊接参数、获得高性能接头。 目前针对搅拌摩擦焊接过程热输入模型方面的 文献较少。文中通过建立的数值模型，系统研究了 轴 轴肩、柱形和锥形搅拌针在搅拌摩擦焊接过程中对 热输入的贡献，并分析了搅拌针锥角对轴肩和锥形 搅拌针热输入的影响。 1 模型假设 文中对所建立的模型提出以下假设。 (1)忽略组织变化时发生的相变潜热； 收稿 日期：2004—04—23 图1 搅拌头 基金项 目：国家863基金资助项 目(20002AA724400) Fig．1 Rotatingtool 26 焊 接 学 报 第26卷 搅拌针长度；R 为搅拌针端面半径；为搅拌针锥