摘 要

搅拌摩擦点焊是最近发展起来的一种新型焊接技术，相比较于传统的焊接方式，其有很多优点，近几十年对搅拌摩擦焊的研究越来越多，其在工业生产中的应用也越来越广泛。

本文6082－T6铝合金薄板进行搅拌摩擦点焊，掌握搅拌摩擦点焊温度场，并用FLUENT软件对其进行三维流场分析。本文讨论不同搅拌头形状对材料流动行为的影响，从减小焊点内韧带宽度的角度考虑，双凹槽搅拌头优于常规搅拌头和大直径搅拌头。当采用方形搅拌针时，相比于圆形搅拌针，其对周围材料的搅拌作用更大，金属流动更加剧烈。对搅拌摩擦点焊的温度场进行具体分析之后，得到粘度系数的表达式。确定流场的控制方程、初始条件和边界条件之后，用ANSYS模拟搅拌摩擦点焊的流场，根据得到的速度矢量图对其进行分析和探讨。

关键词 ：搅拌摩擦点焊，搅拌头形状，fluent，三维流场模型

Abstract

Friction stir welding (FSSW) is a new type of solid state welding technology developed on the basis of friction stir welding (FSW),in the welding of aluminum alloys and other light alloy materials, there is no alternative to the superiority. In recent years, with the extensive use of aluminum alloy in automobile manufacturing industry,The research of aluminum alloy material in friction stir spot welding is of great significance.

This paper make use of H13 Aluminum Alloy stirring head and 6082T6 Aluminum Alloy thin plate by friction stir welding, To master the temperature field of friction stir spot welding,and the three-dimensional flow field analysis is carried out by using FLUENT software.

The effects of different shapes of the mixing head on the flow behavior of the material are discussed, from the point of reducing the width of the inner joint of the solder joint, the double groove stirring head is better than the conventional stirring head and the big diameter stirring head. The shape of the head of the mixing head becomes flat, which leads to the decrease of the temperature and the plastic deformation, and the effective power is reduced. When using a square mixing needle, compared with the circular mixing needle, the stirring action of the surrounding material is bigger, and the metal flow is more intense. After analyzing the temperature field of friction stir welding, the expression of the viscosity coefficient is obtained. The governing equations, initial conditions and boundary conditions of the flow field are determined.The flow field of friction stir spot welding is simulated by ANSYS, and the analysis and discussion are carried out according to the obtained velocity vector diagram.

KEY WORDS ： FSSW， Flow field analysis，fluent ，Three dimensional flow field model

目录

第一章 绪论 2

1.1选题背景及意义 2

1.2搅拌摩擦焊 3

1.2.1搅拌摩擦焊现状分析 3

1.2.2搅拌摩擦焊原理 3

1.2.3搅拌摩擦焊温度场研究 4

1.3搅拌摩擦点焊现状研究 5

1.3.1搅拌摩擦点焊的原理 5

1.3.2搅拌摩擦点焊的流场研究 6

1.4铝合金在搅拌摩擦点焊中的应用 7

第二章 搅拌摩擦焊的数值模拟研究 8

2.1FLUENT软件国内外数值模拟现状 8

2.2搅拌摩擦点焊温度场研究 9

2.2.1搅拌摩擦焊过程产热分析 9

2.2.2 粘度系数表达式的产生 11

2.3数值模拟的数学模型建立 12

2.3.1控制方程的提出 12

2.3.2 材料的物理模型 13

2.4搅拌摩擦焊接过程有限体积模型建立 14

2.4.1 实体模型的建立和计算模型的选取 15

2.4.2边界条件的设置 17

2.4.3实验过程简述 18

2.5模拟结果与分析 20

第三章 搅拌头形状参数对材料流动行为的影响 21

3.1 搅拌头形状参数对材料流动的影响分析 22

3.1.1 搅拌头轴肩形状对材料流动的影响分析 22

3.1.2 搅拌针形状对材料流动的影响分析 23

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

伴随着科学技术的不断进步，同时我国的经济在改革开放以后迅速的发展，我国的汽车行业正在迅速发展。然而，科学技术的发展往往是一把双刃剑，全球范围内的资源与环境问题日益严重，运输工具的轻量化设计成为发展方向。铝合金材料具有很多优点，比如较高的比强度以及较强的耐腐蚀性能等，所以在这个汽车行业迅速发展的时代，铝合金镁合金等轻质合金材料的发展空间将越来越大，点焊技术是汽车车身零部件拼装的主要方式，在汽车的生产和制造中,点焊接头的质量在很大程度上反映了汽车的质量。

目前汽车行业中应用最为广泛的一种焊接方法是电阻点焊，然而，运用电阻点焊焊接铝合金和其他熔点较低的合金时具有许多缺点，经过长期的研究和改进，并且不断完善点焊带来的缺陷之后，研制出了高效、环保、节能的搅拌摩擦点焊技术来代替电阻点焊技术焊接铝合金合金的方法^[1]。搅拌摩擦点焊方法避免了用电阻点焊焊接铝合金时所产生的焊接缺陷，另外，搅拌摩擦点焊也是当今焊接技术发展的需要。搅拌摩擦点焊有着环保、节能的各种优点，被誉为当今时代绿色和高效的新型焊接技术。

搅拌摩擦点焊是一种新型固相连接的焊接技术，通过研究搅拌摩擦点焊点焊各工艺参数和搅拌头形状对流动规律的影响，研究搅拌头的插入深度和搅拌头旋转速度对搅拌摩擦点焊过程中塑性金属的流动性的影响，掌握搅拌摩擦点焊焊接的工艺性能，从而获得力学性能良好、成形美观的点焊接头。

1.2搅拌摩擦焊

1.2.1搅拌摩擦焊现状分析

搅拌摩擦是1991年由英国焊接研究所研发出来的一种新型固相连接技术，这是一种利用搅拌头与被焊材料接触摩擦产热，然后利用搅拌头对被焊材料进行充分的搅拌来完成焊接的先进固相连接方法。在搅拌摩擦焊研发初期，其能有效降低能源消耗，同时可以得到结合性能和强度良好的接头，所以受到许多的关注。在搅拌摩擦焊的焊接过程中，其有很多优点，焊接过程无飞溅，无需焊丝，其形成的焊接接头组织缺陷少、综合性能良好，相比较于传统的焊接方式，搅拌摩擦焊经济、高效、环保，是一种新型的焊接技术。

搅拌摩擦焊近几年来发展迅速，在诸多制造领域已经达到规模化和工业化的应用水平，在船舶制造领域，娜威 MARNIE公司在1996年就将搅拌摩擦焊成功地应用在铝合金快速舰船的甲板结构件的流水线制造生产中。而在轨道车辆制造领域,在1997 年，日本 HRACIH 公司第一次将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的生产中，极大的降低了制造成本，并且成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。所有的这些表明，搅拌摩擦焊未来必将成为焊接工艺一个很有前景的发展方向。

1.2.2搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊接的过程是一个跟多个学科都有关联的过程，很多因素可以对其造成影响，所以说搅拌摩擦焊也是一个复杂的高度非线性过程，包括温度场、塑性金属的流场以及应力场之间的相互作用。搅拌摩擦焊是靠不断旋转下压的搅拌头和被焊材料之间的摩擦来产生热量，在摩擦热的影响下，被焊工件达到塑性流动的状态，然后经过充分的搅拌后形成焊点。经过很多的研究发现，搅拌头的形状，以及焊接时的工艺参数，都会影响到搅拌摩擦焊焊接接头的最终性能，其本质上可以归纳为，焊接接头质量的好坏主要是由材料流动状况决定的。

搅拌摩擦焊可以分成三个阶段：压入阶段、连接阶段和回撤阶段，在压入阶段时，搅拌头不断旋转，在压力的作用下进入被焊接的材料，这时候搅拌头会与被焊接的材料接触摩擦并且产生热量；连接阶段时，搅拌头继续保持旋转，搅拌针附近的材料开始流动，在摩擦热和搅拌头的持续作用下，被焊接的材料经过充分的塑性流动之后形成了良好接头；回撤阶段时，搅拌头退出。

1.2.3搅拌摩擦焊温度场研究

搅拌摩擦焊是一种结合了包括温度场在内的多种物理场联系的固相连接技术，在这个焊接过程中也存在很多焊接缺陷，都会对焊接接头的最终性能产生影响，在焊接过程中的温度场分布会对焊接接头性能和焊接头的微观组织结构产生一定的影响。另外，焊接过程中被焊材料的温度分布将直接影响材料的塑性流动和焊件的残余应力与变形等。在这种趋势下，对搅拌摩擦焊的温度场的分布规律的研究成为国内外学者的研究重点。

当采用实验的方法对搅拌摩擦焊焊接过程中被焊材料的实时温度进行统计和分析，焊接过程中采集温度数据的方法主要有两种，是根据其是否与被焊材料接触来划分的，分为接触测量法和非接触测量法。非接触测温法又称为辐射测温法，这种方法下的测温元器件不用和被焊材料接触就可以测量其温度，其原理是通过热辐射来测量被焊材料的温度，主要使用的元器件包括亮度温度计和辐射温度计。这个方法的好处在于可以减小甚至于防止接触测量带来的测温误差，另外，这种非接触法非常适用于测温器件与被测物体间不宜直接接触的情况。

国内外目前普遍实验和有限元模拟仿真技术^【2】相结合的方法，对搅拌摩擦焊的焊缝区域的温度分布进行研究，并得到快速、直观地反映出焊件在整个焊接过程的温度分布规律。在研究搅拌摩擦焊的温度场分布时，经常使用的热源模型包括基于搅拌头扭矩的产热模型和基于滑动和黏着摩擦产热模型。根据实际情况得到的数值模型，会随着简化过程中不同的简化项得到不同的模拟分析结果。

鄢东洋^【3】等人用6065-T6铝合金研究搅拌摩擦焊过程中温度和扭矩的关系，该实验的主要变量是转速的不同和下压量的不同，由于搅拌摩擦焊过程中的唯一热输入是由于搅拌头和被焊材料之间的摩擦所产生，所以实验中选用的热源模型是基于搅拌头扭矩的。实验得到的研究结果表明，当下压量不变时，搅拌头的扭矩与转速成反比，而热输入功率会与转速成正比。

1.3搅拌摩擦点焊现状研究

搅拌摩擦点焊和搅拌摩擦焊的技术原理相似，区别在于搅拌摩擦焊的搅拌头有一个平移的过程，而搅拌摩擦点焊的搅拌头只有向下的压入过程，所以它们的适用范围也不相同，搅拌摩擦焊适用于缝焊，而搅拌摩擦点焊适用于点焊。

1.3.1搅拌摩擦点焊的原理

西北工业大学傅田教授等对搅拌摩擦点焊进行了一些研究，传统的搅拌摩擦点焊(即直插式搅拌摩擦点焊)是由日本的马自达等公司所发明，这种直插式搅拌摩擦点焊是目前研究和应用方面最多的一种点焊方法。这种方法的焊接过程可分为三个阶段：压入阶段、连接阶段和回撤阶段。如下图1.1所示：