王杰 林名润 闫大鹏 周琼

摘 要：通过分析搅拌摩擦焊焊接原理，建立搅拌摩擦焊焊接过程数学模型，运用Full Newton-Raphson方法，编制搅拌摩擦焊焊接过程控制程序，对搅拌摩擦焊移动热源焊接的温度场进行模拟，得到的分析结果能够较为准确揭示搅拌摩擦焊焊接过程规律，为确定焊接工艺参数提供参考。

关键词：搅拌摩擦焊；温度场；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.221

1 引言

搅拌摩擦焊[1]（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种新型的固态焊接工艺技术，与传统的焊接方法相比，它不但能够得到优良的焊接性能，而且能够焊接一些传统方法难以焊接的材料，随着该技术的不断发展，其应用范围不断扩大，已在航空、航天、船舶、汽车等领域得到广泛应用。

2 热源数学模型

根据已有的研究成果[2]，通常认为FSW的热源主要来自于搅拌针端面和搅拌头轴肩与工件摩擦面热源以及搅拌针侧面与工件摩擦体热源等几种形式[3]。在数值模拟中，忽略次要因素，根据库伦摩擦理论建立如下的搅拌摩擦热源的数学模型。

2.1 面热源

搅拌针刚开始与工件接触摩擦时，其顶锻力作用在搅拌针端面上。在搅拌针端面取出微元，则其受到的摩擦力为：

（1）

搅拌针旋转一周摩擦力对微元所做的功为：

（2）

对上式进行二重积分，得到摩擦力对搅拌针端面所做的功为：

（3）

则搅拌针端面摩擦生热的功率是：

（4）

同理可得，搅拌针轴肩处摩擦生热功率是：

（5）

其中是摩擦系数，是顶锻力，搅拌针根部半径，是轴肩处半径，是旋转角速度。

2.2 体热源

当搅拌针周围的工件温度达到横向焊接的条件时，搅拌头便会横向移动，在此过程中产生的热量主要是搅拌针克服材料的剪切应力所产生的摩擦力生热。……