摩擦搅拌焊接工艺中工件和工具的温度和应力分布
前言：摩擦焊接是由焊接研究所发明的一种固态连接技术，FSW在固态下焊接材料，与传统的液体-固体焊接方法相比具有许多优点：更高的焊接强度，细小的晶粒尺寸，低残余应力，无消耗性材料和低能耗。
焊接参数、物料流动和工具现象直接影响FSW过程中的热量生成。许多研究基于工件特定点的温度测量来研究焊接现象的重要方面，由于需要非常复杂的设置来测量工具温度，仅有少数实验研究工具温度。
用DEFORM-3D软件开发了一个热力学和力学耦合的FSW过程模型，以研究工具和工件内部以及它们之间的FSW现象。使用了6061-T6铝合金，FSW过程模型的系统包括几个热边界。在这些热边界中，它们的热流相比于系统内部的热流，更加敏感于工具和工件温度。
关注工件底部的热传导系数，并通过实验和有限元分析进行优化，以建立一个合理的模拟模型。其他有限元分析研究曾经研究过低工具遍历速度下FSW过程现象，一个分析模型能够研究实际高速焊接下不同遍历速度下的材料内部现象。
在FSW过程中，使用MULTI INTELLIGENCE R工具系统对工具内部温度进行了测量。显示了用于实验的温度测量工具的一般视图。嵌入在工具中的热电偶位置。热电偶被安排在三个不同的位置以测量探头、探头根部和肩部的温度。
商业软件DEFORM-3D用于FEM模拟，采用拉格朗日-方法进行分析。将工件设置为连续体模型，大小为70×70×4毫米，划分成约32万个四面体元素。工具界面附近的元素尺寸设置为约0.1-0.3毫米，比周围环境中的元素更加精细。
该模型中的工具与实验所用的工具具有相同的几何形状，除了探头高度为3.6毫米。探头高度比实验小0.2毫米，并通过增加工具尖部与工件底部之间的间隙避免了重新网格划分时模型底部的网格破裂。
为了准确模拟铝合金6061-T6的流变应力，建立了一个考虑温度和应变率影响的流变应力模型。该模型包括热软化效应和应变率硬化效应。使用静态压缩试验在三种不同温度条件下获得了6061-T6铝合金的应力-应变关系。
静态条件下的冲程速度设置为1mm/min。温度超过200°C的该模型中的应变率依赖性可以遵循Johnson和Cook本构模型，其应变率参数C设置为0.02 ，以设计考虑温度和应变率的流变应力模型。
系统内的一个热边界在工具界面，热量在两者之间流动并保留在系统内部。
比较数值和实验获得的温度，对 FEM 分析模型中工件底部的热传导系数进行了优化。遍历速度和工具旋转速度分别设置为5 mm/s 和 1000 min−1。在优化中，设置了工件底部表面的热传导系数的五个不同值，从1.0 到5.0 kW/m2/K。为了模拟作为热边界条件的对流热传递，使用了公式q=h×(Tw−Tf)
工件的约束条件是底部表面与背板无摩擦接触，侧面在所有方向上都固定。工件和工具表面与环境温度为20˚C的空气之间进行热传递。工具和工件之间的摩擦模型采用剪切摩擦模型，公式τ=m×k所示，并且采用摩擦系数m = 1.0。
在横向速度为1、5、10和20毫米/秒时进行焊接时工具温度历史数据。工具旋转速度为1000转/分。temp1表示探针尖端的温度，temp2表示探针根部的温度，temp3表示工具肩部的温度。
在焊接过程中，先进行了一个5秒钟的旋转保持阶段，然后开始移动工具进行横向移动。在移动开始后，探针尖端温度几乎保持不变，直到所有过程结束为止。探针根部和工具肩部的温度在整个移动过程中都会缓慢地上升。探针尖端的测量温度比工具肩部高100℃到150℃左右。
至于焊接力，当横向移动速度为1、5和10 mm/s时，焊接力几乎保持不变，但当横向移动速度为20 mm/s时，焊接力会在整个过程中持续增加，直到焊接结束。
探针尖端的温度比肩部温度高约100℃-120℃，比探针根部温度高约160℃-180℃。随着工具横向速度从1 mm/s增加到20 mm/s，每个测量部位的工具温度下降了约30℃-50℃。
当工件的横向移动速度为5mm/s时。随着工具旋转速度的增加，工具温度也会升高。探针尖端温度最高可达约500°C，接近工件固相线温度582°C。随着工具旋转速度的增加，肩部温度和探针根部温度趋于收敛，分别在高速旋转时达到约370°C和300°C左右。
结论：摩擦搅拌焊接相比熔接具有许多优点，经过热机械耦合过程模型，以研究工具和工件内部的FSW现象。采用了6061-T6铝合金，开发了分析模型能够研究广泛的横向速度范围，适用于高速实际焊接用它们验证开发的FEM模型的准确性可以使用开发的模型研究工件和工具界面周围的温度和应力分布。
