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搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合分析

王细波张涛

（清华大学机械工程系北京100084）

摘要：本文基于强大的ABAQUS通用软件建立完全热力耦合模型，对3mm厚AL6056薄板搅拌摩擦焊接过程进行仿真分析。计

算中考虑温度变化材料性能的影响，较为准确地描述搅拌摩擦焊的实际物理过程。计算中温度场和塑性应变场的结果证明模型的

有效性。

背景

搅拌摩擦焊技术于1991年在英国焊接研究所(TWI)发明以来，引起了全球范围内的广泛研究，在轻金属等材

料的连接中具有广阔的应用前景，具有焊接后缺陷少，变形小与组织性能优良等方面的优点。搅拌摩擦焊接技术

作为一种新型的固态焊接工艺，它的基本原理是：把一个柱状或锥状的带螺纹或不带螺纹的搅拌头旋转着缓慢插

入被焊工件的待焊接处。搅拌头与工件紧密接触，高速旋转与其周围母材摩擦产热，材料软化发生塑性变形，并

释放出塑性变形能;同时，搅拌头旋转着沿焊接方向与工件作相对运动，使搅拌头作用区域附近的材料发生强烈

的塑性变形。随着，搅拌头向前移动，高度塑性变形的材料被挤压到搅拌头的背后，肩部所施加的锻造力使接缝

处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起，从而完成搅拌摩擦焊接过程。由于搅拌摩擦焊接过程

的条件非常复杂，很难直接通过实验的方法测得焊接过程中的温度场，塑性应变场以及力，力矩等，所以采用数

值方法来研究搅拌摩擦焊接过程显得尤其重要。

本文基于Abaqus/Explicit平台建立完全热力耦合的有限元模型来模拟搅拌摩擦焊过程。这对研究各种焊接参

数（包括搅拌头旋转速度，焊接速度，下压量等）对焊接质量的影响具有重要意义。

１模型描述

1.1有限元模型

焊接构件采用铝合金6056,由于焊接过程中材料产生在的塑性变形，材料的屈服强度是与应变量，温度相

关的函数。为了便于网格的划分，构件模型为圆盘状，直径为100mm，厚度为3mm。为了使材料能够从前进侧

运动到返回侧，模型中的焊接构件作为一个连续的试样，没有考虑焊缝的影响。圆盘采用C3D8RT单元划分为35000

个节点，30000个单元。

搅拌头的轴肩直径为20mm,搅拌针直径为6mm,轴肩内凹角为9°，轴肩边缘倒角半径为1mm。由于搅拌

头都选用硬质合金材，所以模型中将搅拌头被约束为刚体。

为了避免在计算过程中出现大的网格畸变，模型中以材料的运动来代替焊接过程中搅拌头移动的过程。采用

Abaqus中的ArbitraryLagrangian-Eulerian(ALE)和AdaptiveMeshing方法来实现这个过程。边界条件的设置如图1

所示。

图1数值模型的边界条件

1.2接触定义

通过定义接触对来模拟搅拌头与待焊试件之间的接触行为。模型中采用库仑定律来计算焊接过程的摩擦力。

实际的焊接过程中搅拌头和平板之间没有穿透的现象，所以接触模型的法向作用定义为硬接触。切向之间的摩擦

采用罚函数运算法测，给定摩擦系数f=0.3。

2计算结果与讨论

在既定的焊接参数(搅拌头旋转速度600r/min，焊接速度为120mm/min，下压量为0.4mm)下，计算得到的温

度场分布如图2所示。计算结果显示：在焊接过程中的最高温度在440℃～450℃之间，与实验所测得的最高温度

非常接近；搅拌头前方的温度梯度较后方大；同时，从焊接过程中不同时刻的温度分布可以看出，焊接过程开始

后搅拌头轴肩附近温度的分布很快就达到了稳态，分布规律与实际的分析结果基本吻合。

图3显示搅拌摩擦过程中平板上塑性应变场的分布情况。塑性应变场分布较为准确地反应搅拌摩擦焊接过程

中，焊缝区域不同位置材料发生塑性应变的程度。在搅拌头的后方总存在一个塑性应变量相对较低的区域，这也

是对焊缝质量影响最大的位置。

图2a焊接0秒时的温度分布图2b焊接2秒时的温度分布

图2c焊接4秒时的温度分布图2d焊接8秒时的温度分布

图3a试板上表面塑性应变场分布图3b试板下表面塑性应变场分布

图3c试板纵截面上塑性应变场分布图3d板横截面上塑性应变场分布

3结论

通过将计算的温度场分布、塑性应变场分布结果与实验结果进行比较分析，可以得出本文基于固体力学所建

立的完全热力耦合有限元模型能有效地对搅拌摩擦焊接过程进行仿真。

4参考文献

[1]ABAQUS/ExplicitUser’sManualVolumeI,Version6.7,SIMULIA,INC.USA,2007.

[2]庄茁等译.ABAQUS/Explicit有限元软件入门指南.北京：清华大学出版社，2006.

[3]曾攀,石亦平.工程中数值分析的复杂力学建模与高