摩擦攪拌焊接工藝中工件和工具的溫度和應力分布
前言：摩擦焊接是由焊接研究所發明的一種固态連接配接技術，FSW在固态下焊接材料，與傳統的液體-固體焊接方法相比具有許多優點：更高的焊接強度，細小的晶粒尺寸，低殘餘應力，無消耗性材料和低能耗。
焊接參數、物料流動和工具現象直接影響FSW過程中的熱量生成。許多研究基于工件特定點的溫度測量來研究焊接現象的重要方面，由于需要非常複雜的設定來測量工具溫度，僅有少數實驗研究工具溫度。
用DEFORM-3D軟體開發了一個熱力學和力學耦合的FSW過程模型，以研究工具和工件内部以及它們之間的FSW現象。使用了6061-T6鋁合金，FSW過程模型的系統包括幾個熱邊界。在這些熱邊界中，它們的熱流相比于系統内部的熱流，更加敏感于工具和工件溫度。
關注工件底部的熱傳導系數，并通過實驗和有限元分析進行優化，以建立一個合理的模拟模型。其他有限元分析研究曾經研究過低工具周遊速度下FSW過程現象，一個分析模型能夠研究實際高速焊接下不同周遊速度下的材料内部現象。
在FSW過程中，使用MULTI INTELLIGENCE R工具系統對工具内部溫度進行了測量。顯示了用于實驗的溫度測量工具的一般視圖。嵌入在工具中的熱電偶位置。熱電偶被安排在三個不同的位置以測量探頭、探頭根部和肩部的溫度。
商業軟體DEFORM-3D用于FEM模拟，采用拉格朗日-方法進行分析。将工件設定為連續體模型，大小為70×70×4毫米，劃分成約32萬個四面體元素。工具界面附近的元素尺寸設定為約0.1-0.3毫米，比周圍環境中的元素更加精細。
該模型中的工具與實驗所用的工具具有相同的幾何形狀，除了探頭高度為3.6毫米。探頭高度比實驗小0.2毫米，并通過增加工具尖部與工件底部之間的間隙避免了重新網格劃分時模型底部的網格破裂。
為了準确模拟鋁合金6061-T6的流變應力，建立了一個考慮溫度和應變率影響的流變應力模型。該模型包括熱軟化效應和應變率硬化效應。使用靜态壓縮試驗在三種不同溫度條件下獲得了6061-T6鋁合金的應力-應變關系。
靜态條件下的沖程速度設定為1mm/min。溫度超過200°C的該模型中的應變率依賴性可以遵循Johnson和Cook本構模型，其應變率參數C設定為0.02 ，以設計考慮溫度和應變率的流變應力模型。
系統内的一個熱邊界在工具界面，熱量在兩者之間流動并保留在系統内部。
比較數值和實驗獲得的溫度，對 FEM 分析模型中工件底部的熱傳導系數進行了優化。周遊速度和工具旋轉速度分别設定為5 mm/s 和 1000 min−1。在優化中，設定了工件底部表面的熱傳導系數的五個不同值，從1.0 到5.0 kW/m2/K。為了模拟作為熱邊界條件的對流熱傳遞，使用了公式q=h×(Tw−Tf)
工件的限制條件是底部表面與背闆無摩擦接觸，側面在所有方向上都固定。工件和工具表面與環境溫度為20˚C的空氣之間進行熱傳遞。工具和工件之間的摩擦模型采用剪切摩擦模型，公式τ=m×k所示，并且采用摩擦系數m = 1.0。
在橫向速度為1、5、10和20毫米/秒時進行焊接時工具溫度曆史資料。工具旋轉速度為1000轉/分。temp1表示探針尖端的溫度，temp2表示探針根部的溫度，temp3表示工具肩部的溫度。
在焊接過程中，先進行了一個5秒鐘的旋轉保持階段，然後開始移動工具進行橫向移動。在移動開始後，探針尖端溫度幾乎保持不變，直到所有過程結束為止。探針根部和工具肩部的溫度在整個移動過程中都會緩慢地上升。探針尖端的測量溫度比工具肩部高100℃到150℃左右。
至于焊接力，當橫向移動速度為1、5和10 mm/s時，焊接力幾乎保持不變，但當橫向移動速度為20 mm/s時，焊接力會在整個過程中持續增加，直到焊接結束。
探針尖端的溫度比肩部溫度高約100℃-120℃，比探針根部溫度高約160℃-180℃。随着工具橫向速度從1 mm/s增加到20 mm/s，每個測量部位的工具溫度下降了約30℃-50℃。
當工件的橫向移動速度為5mm/s時。随着工具旋轉速度的增加，工具溫度也會升高。探針尖端溫度最高可達約500°C，接近工件固相線溫度582°C。随着工具旋轉速度的增加，肩部溫度和探針根部溫度趨于收斂，分别在高速旋轉時達到約370°C和300°C左右。
結論：摩擦攪拌焊接相比熔接具有許多優點，經過熱機械耦合過程模型，以研究工具和工件内部的FSW現象。采用了6061-T6鋁合金，開發了分析模型能夠研究廣泛的橫向速度範圍，适用于高速實際焊接用它們驗證開發的FEM模型的準确性可以使用開發的模型研究工件和工具界面周圍的溫度和應力分布。
