高熔点金属的搅拌摩擦焊接计算机仿真模型及验证

6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟段树华【摘要】基于ANSYS有限元分析软件,对3 mm厚的6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场进行了模拟,对比焊接接头形貌以及焊接热循环模拟结果与实测结果,并研究焊接速度、下压量、搅拌头旋转速度等焊接参数对摩擦焊峰值温度的影响.结果表明,搅拌摩擦焊焊缝形貌模拟结果与实测结果较为吻合,搅拌摩擦焊接进入稳态后,焊缝峰值温度基本稳定在510℃～512 ℃,随着距焊缝中心的距离增加,峰值温度逐渐降低,二者基本呈线性关系;峰值温度几乎随着焊接速度升高直线下降,随着下压量和搅拌头旋转速度的增加而升高,其中下压量和搅拌头旋转速度对峰值温度影响较大,而焊接速度对其影响较小.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)010【总页数】5页(P154-158)【关键词】铝合金;搅拌摩擦焊;温度场【作者】段树华【作者单位】湖南铁道职业技术学院,湖南株州412001【正文语种】中文【中图分类】TG4026005A-T6铝合金是6000系Al-Mg-Si铝合金的一种，可以通过热处理进行强化，不会出现应力磨蚀开裂等现象，强度级别为中等，具有优良的塑性、耐蚀性和成形性[1]。

6005A合金广泛用于制造焊接结构件和耐蚀的机械零部件，但近年来随着高铁技术的不断发展，6005A合金已开始应用于高速列车铝合金车体的制造，如列车底架、侧墙、车顶等部位均采用6005A-T6进行制造[2]。

焊接工艺是轨道车辆制造中的关键技术，焊接质量的好坏直接关系到整个车体的质量，以及行驶过程中的舒适性和安全性。

国内外现有铝合金车体制造普遍采用MIG焊或TIG焊，易出现气孔、热裂纹、接头软化和变形量大的缺陷[3-4]。

搅拌摩擦焊FSW （Friction Stir Welding）是TWI于1991年发明的一种固相焊接技术，由于焊接过程中不需要额外填充焊接材料，焊接峰值温度低于材料熔点，避免了冶金问题和结晶问题的出现，大大减少了焊接缺陷，在航天航空、汽车制造特等领域应用较多，非常适合铝合金的焊接[5]。

浅析搅拌摩擦焊接头平面有限元模型建模方法摘要：铁路运输是保障经济高速发展的重要条件，搅拌摩擦焊在铝合金车体中的焊接应用愈加广泛。

铝合金属于多晶体材料，因此寻求一种有效的多晶体模型建模方法是对搅拌摩擦焊焊后多晶体材料力学性能进行分析的必要前提。

本文的主要工作是对Monte Carlo多晶体模型的建模方法进行介绍。

关键词：单晶体；铝合金；力学行为；晶体塑性1前言目前搅拌摩擦焊已经广泛的应用在高速动车组车顶、地板等多种大部件的焊接。

在整个焊接过程中材料会发生较大的塑性变形，内部微观组织会发生演化，也就是材料内部晶体发生再结晶行为，导致晶粒形貌、晶粒大小、晶粒取向等发生改变。

长期以来，许多学者都展开了对搅拌摩擦焊接接头位置区域内部微观结构组织形式的研究，相关的研究工作也是搅拌摩擦焊接、增材制造等领域的研究重心。

对于搅拌摩擦焊接而言，焊接的整个过程都伴随着温度场的变化，因此无法直接对材料内部的微观结构进行研究。

尽管部分学者提出“焊接急停”的方法[1]可以对当前时刻下材料的微观组织进行观察，但是不能对搅拌摩擦焊接的整个过程中的微观组织演化进行分析。

随着计算机技术的快速发展，为众多学者提供了有利的数值计算仿真平台，使用计算机可以对焊后构件任意时刻和位置处的微观组织进行模拟。

本文主要基于Monte Carlo(MC)方法对搅拌摩擦焊接接头位置微观结构的有限元建模方法进行研究，并对二维平面Monte Carlo多晶体有限元模型的建模方法进行阐述。

2. Monte Carlo多晶体有限元模型建模方法首先，利用移动热源数值模拟方法对搅拌摩擦焊接过程进行数值模拟计算，得到焊接工件的温度场历程数据。

提取接头位置区域的温度场历程数据作为Monte Carlo方法的输入值，可以利用Monte Carlo方法完成对当前搅拌头转速、焊速、搅拌头直径下焊接接头区域中的晶粒形貌和平均晶粒尺寸。

若要利用Monte Carlo模型完成接头区域的力学性能计算需要将多晶体几何模型转化为有限元模型。

第15卷第12期精密成形工程2023年12月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING27 2024铝合金水下搅拌摩擦焊热力耦合仿真分析王熙婷1，高海涛2（1.湖南师范大学物理与电子科学学院，长沙 410000；2.中南大学轻合金研究院，长沙 410083）摘要：目的优化搅拌摩擦焊接工艺参数，以提高接头的力学性能。

方法基于ABAQUS软件建立了热力耦合有限元模型，使用耦合欧拉-拉格朗日方法对典型的航空航天用板材2024铝合金的水下搅拌摩擦焊接过程进行了仿真研究。

分析了搅拌摩擦焊接过程中板材的温度场分布和材料变形情况，同时研究了前进侧和后退侧相应位置材料的流动特征，进一步讨论了搅拌头冷却速度和摩擦因数对焊接温度和材料流变场的影响。

结果当摩擦因数较小时，针对焊接过程的有限元模拟将会失败；前进侧和后退侧材料变形和流动差异显著；焊接温度和等效应变随摩擦因数的增大而升高，随冷却速度的增大而降低。

结论当摩擦因数为0.8时，能较好地完成焊接。

相对于空冷，水冷能明显缩短高温持续时间。

关键词：水下搅拌摩擦焊；热力耦合模型；材料流变场；温度场DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.004中图分类号：TG146.2+1 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)12-0027-07Thermal-mechanical Coupling Simulation Analysis on UnderwaterFriction Stir Welding of AA2024WANG Xi-ting1, GAO Hai-tao2(1. School of Physics, Hunan Normal University, Changsha 410000, China;2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)ABSTRACT: The work aims to optimize the friction stir welding process parameters to improve the mechanical properties of joints. Based on ABAQUS software, a thermal-mechanical coupled finite element model was established, and the underwater friction stir welding process of 2024 aluminum alloy, a typical aerospace plate, was simulated with the coupled Euler Lagrange method. The temperature field distribution and material deformation of the plate in the friction stir welding process were ana-lyzed, and the flow characteristics of the materials at the corresponding positions of the forward side and the retreating side were studied. The effects of cooling rate and friction coefficient of stirring head on welding temperature and rheological field of mate-rials were further discussed. When the friction coefficient was small, the finite element analysis of the welding process failed.There was a significant difference in material deformation and flow between the forward and retreating sides. The welding tem-perature and equivalent strain increased with the increase of friction coefficient, and decreased with the increase of cooling rate.The research results indicate that when the friction coefficient was 0.8, welding can be effectively completed. Compared to air cooling, water cooling significantly reduced the duration of high temperature.KEY WORDS: underwater friction stir welding; thermal-mechanical coupling model; material rheological field; temperature field收稿日期：2023-08-02Received：2023-08-02基金项目：国家自然科学基金（51674303）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51674303)引文格式：王熙婷, 高海涛. 2024铝合金水下搅拌摩擦焊热力耦合仿真分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 27-33.WANG Xi-ting, GAO Hai-tao. Thermal-mechanical Coupling Simulation Analysis on Underwater Friction Stir Welding of AA2024[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(12): 27-33.28精密成形工程 2023年12月铝合金具备低密度和高比强度等优点，已成为制备航空航天装备的重要材料之一[1-2]。

高熔点金属的搅拌摩擦焊接计算机仿真模型及验证张艳;葛玮;徐卫红【摘要】结合Comsol Multiphysics多物理场耦合软件,利用JmatPro软件计算得到TC4钛合金焊材与温度相关的材料本构模型,应用数值模拟理论、傅立叶定律、有限元法、热力学基本理论,并借鉴了M.Song和R.Kovacevic关于移动坐标系的控制方程的思想,对高熔点钛合金搅拌摩擦焊接模型的建模方法进行系统研究.在相同焊接工艺参数下,通过与Gianluca Buffa Ti6Al4V钛合金FSW温度场结果对比,验证了FSW模型的正确性和可靠性.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)010【总页数】6页(P171-176)【关键词】高熔点金属;搅拌摩擦焊接;移动坐标系;仿真模型【作者】张艳;葛玮;徐卫红【作者单位】江西制造职业技术学院,江西南昌330000;江西广播电视大学,江西南昌330046;江西广播电视大学,江西南昌330046【正文语种】中文【中图分类】TG409搅拌摩擦焊接（FSW）是一种新型的先进固相连接技术，近年来，搅拌摩擦焊接逐渐成为研究热点[1]。

与传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊接技术具有优质、高效、低耗、连接变形小、无污染等特点；而在工程实际应用中，由于其众多的优点，搅拌摩擦被广泛用于低熔点金属的连接，尤其是铝合金、镁合金等轻合金材料平板对接固相连接的技术优势，是其他连接方法所无法比拟的[2-3]。

物理模拟、数值模拟在热机械加工中已发展成为重要的研究方向和前沿课题，传统搅拌摩擦焊接的数值模型在近年来已经被各国学者广泛使用和研究，这些成熟的数值模型可以准确的指导工程实际应用[4-5]。

Chao等人建立的热源模型考虑轴肩产热，并总结出搅拌头轴肩与工件间摩擦产热的计算方法[6]。

Khandkar基于FSW搭接的3D焊接仿真模型，分析搅拌头转矩对搅拌摩擦焊接温度场的影响规律[7]。

值得关注的是，Song等人利用坐标变换原理将3D搅拌摩擦焊接瞬态焊接行为转化为稳态焊接传热行为，这大大降低了模型建立的难度[8]。

高强铝合金水浸搅拌摩擦焊接的温度场模拟
张会杰;刘会杰;于雷
【期刊名称】《中国有色金属学报（英文版）》
【年(卷),期】2013(023)004
【摘要】用三维传热模型将水下摩擦搅拌焊接（FSW）的热建模。

分析了水的蒸发特性，照亮了水下FSW的边界条件。

考虑了材料的静脉依赖性。

进行FSW实验以验证计算结果，并且计算结果与实验结果表明良好的一致性。

结果表明，水下接头的最大峰值温度明显低于正常关节，尽管肩部的表面热通量在水下fst期间高于正常fsw期间。

对于水下接头，高温分配区域显着变窄，与普通接头相比，不同地区的焊接热循环有效地控制。

％应用三维热源对水浸搅拌摩擦焊接的温度场进行模拟分享。

通过分析水分的汽化特性，阐明水浸搅拌摩擦的边界条件。

在中间考虑了材料性能与温度的关键词。

模拟结果与温度场的真实真实真实具有较高于的综合程度。

温度场的模拟结果表明，尽管水望搅拌摩擦焊接的轴肩面密度比常规搅拌摩擦焊接的高，但水浸接头的高，但水浸接头的最温度温度温度温度的高度分布空间显着变窄，焊缝各区热循环得到了了了控制。

【总页数】9页(P1114-1122)
【作者】张会杰;刘会杰;于雷
【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,现代焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 15000l;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,现代焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 15000l;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,现代焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 15000l
【正文语种】中文
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焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究1.引言焊接是一种常用的金属连接方法，在工业生产中应用广泛。

焊接材料的成型加工过程决定了焊接接头的质量和性能。

为了提高焊接接头的质量和效率，需要进行数值模拟和仿真分析，以预测焊接过程中的温度场、应力场、相变和变形等物理现象，并优化焊接参数和工艺。

本文将重点介绍焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析的研究方法及其应用。

2.数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它将连续的物理领域离散化为有限数量的小单元，通过求解这些小单元上的方程组，得到整个物理领域的解。

在焊接材料成型加工过程中，可以将焊接区域划分为多个小单元，根据材料的热传导、应力-应变关系和相变规律，建立有限元模型，并求解温度场、应力场和相变变化等。

有限元方法可以对焊接过程中的多个物理现象进行耦合分析，提供详细的信息，对焊接过程进行准确的数值模拟。

2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法是一种求解流体动力学方程的数值方法，可以用于模拟焊接过程中的流动和换热现象。

在焊接过程中，熔化金属的流动对焊接接头的形成和质量有重要影响。

计算流体力学方法可以建立焊接过程中的流动模型，模拟熔融金属的流动和焊接池的形成过程，从而预测焊接接头的形态和性能。

计算流体力学方法在焊接过程中的应用主要包括熔化金属的流动和焊接池的形成、焊接接头的形态和质量预测等方面。

2.3 相场模型相场模型是一种描述各相界面和相变过程的数学模型，适用于焊接材料成型过程中的相变和相界面追踪。

相场模型通过引入一个连续的相场函数，描述了相变系统中每种物质的存在程度，并与守恒方程和变分原理相结合，建立了相变系统的方程组。

在焊接材料成型加工过程中，相场模型可以用于预测焊接材料的熔化、凝固和晶体生长等相变过程，研究焊接接头的形态和组织演变。

3.仿真分析方法3.1 温度场分析温度场是焊接过程中的重要参数，直接影响焊接接头的组织和性能。

基于FLUENT的7022铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟与分析摘要：铝合金搅拌摩擦焊接焊缝区域金属流是单相流。

本文针对这种单相流搅拌摩擦焊接过程应用大型计算流体动力学（CFD）软件FLUENT进行了数值模拟与分析，得到其三维流场。

根据流场得到的相关结果可以直观地观察焊缝区塑性金属流动形态与轨迹，为探究与揭示搅拌摩擦焊接过程中焊缝区塑性金属流变机理提供参考。

关键字：搅拌摩擦焊；数值分析；三维流场；FLUENTNumerical Simulation and Analysis of Friction Stir Welding Process of Aluminium Alloy 7022 Based on FLUENTDONG Xuewei 1, LI Xiangfeng 1 , ZUO Dunwen 1, and WANG Hongfeng 1、DONG Chunlin 2、LI Guang 2（1．College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronauticas, Nanjing 210016, P.R.China；2．）Abstract: During friction stir welding process of aluminium alloy, the palstic metal flow in the weld is a kind of single-phase flow. In this paper, aiming at numerical simulation and analysis this kind of single-phase flow, compulational fluid dynamics(CFD) commercial software FLUENT was applicated and a 3-D flow filed was gotten. According to the related results of flow field, we could watch the flow patterns and tracks of the palstic metal flow visually. It contibutes much to study and discover the metal flow mechanism in the weld of friction stir welding process. Keywords: friction stir welding process；numerical analysis；3-D flow field; FLUENT0 前言对于搅拌摩擦这种新型焊接技术，由于是被焊材料之间的直接连接，不需要外加添加剂，因而被搅拌部分材料的流动性能对于焊后焊缝组织机械力学性能有着重要影响。

搅拌摩擦焊温度场检测新方法与数值热源模型韩静;李文亚;张志函【摘要】In this study,the temperature evolutions of the workpiece and tool during friction stir welded 8 mm 7050-T7451 aluminum alloy plates were investigated through the thermocouples and the pure zinc .aluminum and tin powders.A three-dimensional numerical model was developed based on the experimental data.The experimental results show that the maximum temperature is not present in the shoulder but in theprobe,which is higher than 420 ℃.The widths of regions in the work piece cross-section,where temperatures are higher than 232 ℃ and 420 ℃,are6mm and 20 mm.respectively.The calculated thermal histories in the special point are in good agreement with the experiments.Moreover,the simulation results indicate that the maximum temperature in the stir zone is approximately 453 ℃.%采用纯Zn、Sn、Al粉末,结合热电偶测温研究了8 mm厚7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接过程中被焊工件与搅拌工具温度场的演变规律.基于实验数据建立了搅拌摩擦焊接三维数值热源模型.试验结果表明:搅拌工具的最高温度出现在搅拌针上而非轴肩上,其温度高于420℃而小于660℃；在被焊接工件上垂直于焊接方向,其温度高于420℃、232 ℃的区域宽度距焊缝中心分别为大于9mm和20 mm.计算的特殊点热历史曲线与实验数据基本吻合,搅拌区的最高温度约为453℃.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2012(042)012【总页数】5页(P82-86)【关键词】搅拌摩擦焊;7050铝合金;数值模型;温度场【作者】韩静;李文亚;张志函【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,摩擦焊接陕西省重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,摩擦焊接陕西省重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,摩擦焊接陕西省重点实验室,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TG453+.90 前言搅拌摩擦焊(FSW)作为一种节能、环保、高效的新型固相焊接技术已经得到国内外的广泛关注。

高合金工具钢的搅拌摩擦焊接性能研究摩擦焊接是一种热机械连接技术，被广泛应用于航空航天、交通运输和能源等领域。

在创新的焊接技术中，搅拌摩擦焊接作为一种高效、环保的连接方法，受到了越来越多的关注。

特别是在高合金工具钢的焊接领域，搅拌摩擦焊接技术显示出了巨大的应用潜力。

高合金工具钢是一类具有优异耐磨性和高温强度的金属材料，被广泛用于工具制造和特殊环境下的工作。

然而，高合金工具钢的焊接过程常常受到一些困扰，例如焊缝的强度不稳定、变形和裂纹等问题。

这些问题导致了高合金工具钢的焊接难度增加，限制了其应用范围。

为了解决高合金工具钢焊接的问题，一些研究人员开展了涉及搅拌摩擦焊接的实验研究。

通过在高合金工具钢上使用搅拌摩擦焊接技术，能够获得高强度的焊接接头，并且能够降低焊接过程中的变形和裂纹的产生。

这主要是因为搅拌摩擦焊接的工作原理是通过搅拌热软化区域的金属，形成均匀的熔池，并在搅拌过程中产生工艺应力从而消除接头中的残余应力。

然而，高合金工具钢的搅拌摩擦焊接性能仍然需要进一步研究。

首先，需要确定理想的焊接参数，如转速、摩擦时间和压力等，以获得最佳的焊接接头质量。

其次，需要对焊接接头进行宏观和微观的性能评估，包括强度、硬度、断裂韧性和微观组织等。

最后，还需要对焊接接头的热影响区进行分析，以确定搅拌摩擦焊接过程中的热效应和残余应力分布情况。

在前期研究中，研究人员通过改变焊接参数来研究高合金工具钢的搅拌摩擦焊接性能。

例如，通过改变转速和压力来控制熔池的尺寸和形状，从而影响焊接接头的质量。

研究结果表明，在适当的焊接参数下，搅拌摩擦焊接能够获得高合金工具钢的强连接接头，并具有良好的力学性能。

此外，研究人员还对高合金工具钢的焊接接头进行了显微组织和力学性能的分析。

研究发现，搅拌摩擦焊接接头的显微组织表现出均匀的晶粒结构，没有明显的热影响区和残余应力。

这种均匀的晶粒结构有助于提高焊接接头的强度和韧性，并降低裂纹和变形的风险。

此外，还有一些研究将搅拌摩擦焊接与其他焊接方法进行比较，以评估其优势和局限性。