夏卫生，夏盼盼，杨 帅，杨云珍

（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070）

0 前言

搅拌摩擦焊过程中刀具横向力为焊接质量的在线检测指标，该值应在合理范围内以获得无缺陷焊缝[1]。因此，通过监控刀具横向力，调整焊接参数能够有效避免焊接缺陷的产生，并防止刀具发生剧烈磨损或断裂。然而，由于刀具的旋转运动和进给运动及其周围工件材料的剧烈塑性变形，刀具横向力难以通过实验手段测定[2]。采用数值模拟方法研究搅拌摩擦焊过程中的刀具横向力具有重要意义。

搅拌针是刀具中最脆弱部分，在搅拌摩擦焊接厚板或高强合金时，不合理的刀具结构、刀具材料或者工艺参数均会导致刀具断裂[3]，需分析刀具承载能力。目前刀具承载能力的分析主要基于固体力学法[4-6]，未考虑刀具侧边力对承载能力的影响。

本研究基于Fluent流固耦合模拟搅拌摩擦焊的热-机械过程，将模拟的搅拌针温度场和压力场导入ANSYS中进行结构分析，进一步研究刀具的承载能力。建模过程中，考虑刀具与工件之间热传递以及刀具侧边力对其承载能力的影响。

1 Fluent流固耦合模型

1.1 模型建立

搅拌摩擦焊Fluent模型如图1所示，其考虑了刀具与工件之间的热传递作用和刀柄对刀具的冷却作用，能够更好地模拟搅拌摩擦焊过程中的温度场分布。AA6061铝板尺寸457mm×279mm×9.53mm。刀具尺寸、刀柄夹持位置及热电偶测量位置如图2所示。……