摘 要

摩擦焊起源于一百多年前，经过半个多世纪的发展，摩擦焊的技术逐渐走向成熟，直到20世纪50年代的摩擦焊接具有真正的焊接合格接头，因其高质量，高效率，低成本和环保的突出优点而受到所有工业强国的重视。相较于传统摩擦焊接方法，搅拌摩擦焊具有焊接性能好，自动化程度高，焊接环境优良，可焊接传统焊接工艺难以完成的金属焊接任务，比如铝及铝合金，钛及钛合金等优点，目前已经推广到诸多领域，得到了广泛的应用。

本文主要研究对象为TC4钛合金。TC4钛合金在进行搅拌摩擦焊时能够达到1400℃的高温，在这种高温下，整块板材都会产生不同的加热，根据被影响的程度可以将其分为:母材区，热影响区，搅拌区。本研究内容针对TC4在各种不同参数情况下，利用COMSOL Multiphysics进行TC4搅拌摩擦焊过程的温度场分布进行仿真研究，获得焊接过程中的上下表面温度分布图。仿真结果表明：正压力与转速在一定范围内对物理场的影响非常小，而增大进给速度会使水平方向上和厚度方向上的热影响区都减小；增大搅拌头横截面积会使水平方向上的热影响区和搅拌区增大而对厚度方向上的温度场分布几乎没有影响。

关键词：搅拌摩擦焊；TC4；物理场；仿真

Abstract

Friction welding originated more than one hundred years ago. After more than half a century of development, the technology of friction welding has gradually matured. After a long period of development, friction welding now includes many types: Friction stud welding, friction surfacing, third body friction welding, embedded friction welding, inertia friction welding, friction stir welding, radial friction welding, linear friction welding and friction welding and so on.

The titanium alloy used in this paper is TC4 titanium alloy. TC4 Titanium alloy can be welded by friction stir welding at 1400 C. Under this high temperature, the whole plate will be heated differently. According to the degree of influence, it can be divided into: base metal zone, heat-affected zone, mixing zone. In this work, the temperature field of TC4 friction stir welding process was simulated in COMSOL Multiphysics, and the temperature distribution maps of upper and lower surfaces were obtained. Different parameters were used for welding, and the changes of physical field during welding were observed. The results showed that: positive pressure and rotational speed have little effect on the physical field in a certain range, while increasing feed speed will reduce the heat-affected zone in both horizontal direction and thickness direction, while increasing the cross-sectional area of mixing head will increase the heat-affected zone in horizontal direction and the mixing zone in thickness direction, but have little effect on the temperature field distribution in thickness direction.

Keywords: Friction Stir Welding; TC4; Physical Field; Simulation

目录

1 绪论 6

1.1前言 6

1.2钛合金的焊接性能 6

1.3搅拌摩擦焊的原理及应用 6

1.3.1预热 7

1.3.2焊接 7

1.3.3回抽 7

1.3.4搅拌摩擦焊的应用 7

1.4钛及钛合金的搅拌摩擦焊的研究现状 8

1.5 COMSOL Multiphysics 9

1.6研究材料 10

2 研究方案与过程 11

2.1研究的基本内容 11

2.2研究过程 11

2.2.1模型建立 11

2.2.2网格划分 14

2.2.3 求解器设置 15

3 参数影响 16

3.1热输入的计算 16

3.2设置参数 17

3.3正压力 17

3.4转速 18

3.5进给速度 19

3.6搅拌头横截面积 20

4 结论 22

致谢 23

参考文献 24

1 绪论

1.1前言

早在一百多年前，人们就发明了摩擦焊，与传统的熔焊相比，具有良好焊接性能的摩擦焊在金属焊接领域更胜一筹。随着工业技术的飞速发展，摩擦焊也展现了其广阔的前景，同时各类金属在焊接过程中的变化也成为了重要课题之一。

摩擦焊是指利用工件接触面的高速摩擦产生的热量，使工件产生塑性变形并且在压力的作用下通过界面的分子扩散和再结晶实现焊接的焊接方法。摩擦焊与传统的熔化焊最大的不同在于，摩擦焊在焊接过程中的最高温度并没有达到待焊金属的熔点，而是使金属处在塑形条件下进行固相连接。相较于熔化焊，摩擦焊具有焊接接头强度高，焊接效率稳定等优点。摩擦焊可分为搅拌摩擦焊，线性摩擦焊等，本研究所使用的是其中的搅拌摩擦焊。

钛合金是20世纪中叶发展起来的一种重要结构金属，由于其良好的强度、耐热性和耐腐蚀性，钛合金在航空航天中发挥着重要作用。其中Ti-6Al-4V合金，也就是TC4钛合金，被称为钛合金中的王牌合金，该合金的使用占所有钛合金使用量的75％到85％。

1.2钛合金的焊接性能

常温下钛合金虽然具有稳定的性能，但在焊接过程中的高温环境下，容易发生吸氢，吸氧，吸氮的情况；吸收这些气体后会给焊件带来若干缺陷。