摘 要

搅拌摩擦点焊因为点焊强度高，变形小缺陷少等一系列优点，逐渐代替电阻点焊和铆接，是连接铝合金的一种新型焊接技术。为了分析搅拌摩擦点焊过程中的温度场，实验以7075-T7351 铝合金板材为研究对象，建立了搅拌摩擦点焊的三维热源模型，并采用有限元分析的方法，对不同旋转速度，下压速度和下压深度下的温度场分布进行了研究。

结果表明，焊接过程中模拟温度场的峰值大约在500℃左右。当下压速度和下压深度一定时，随着搅拌头转速增加，峰值温度增加，且幅度越来越小;当搅拌头转速和下压深度一定时，随着下压速度增加，峰值温度增加，且幅度变化不大;当搅拌头转速和下压速度一定时，随着下压深度增加，峰值温度增加，但到一定下压深度时，峰值温度基本不变。

关键词: 搅拌摩擦点焊; 铝合金; 温度场; 焊接工艺参数

Abstract

Friction stir spot welding is a new welding technology, because of its high strength, small deformation, small defects, which has been replacing spot welding and riveting. In order to analyze the temperature field of stirring friction welding, the experiment takes the 7075-T7351 aluminum alloy plate as the research object. A model of the FSSW has been developed, using a finite element approach to study the temperature field under different rotating speed, lower pressure speed and lower pressure depth.

The study shows that the peak value of the simulated temperature field is about 500℃ during welding. When the speed and depth of pressing are fixed, with the increasing of tool speed, peak temperature increases, and the amplitude is getting smaller and smaller. When the tool speed and the depth of pressing are fixed, with the increasing of the depth of pressing, the peak temperature increases, but the amplitude change is not big. When the tool speed and the speed of pressing are fixed, with the increasing of the speed of pressing, peak temperature increases, but to a certain depth of the lower pressure, the peak temperature basically unchanged.

Key words: friction stir spot welding；aluminum alloy；temperature field；welding process parameters

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2.搅拌摩擦点焊的原理及焊接过程 1

1.3搅拌摩擦点焊的发展现状 2

1.3.1英国的搅拌摩擦点焊研究现状 2

1.3.2日本搅拌摩擦点焊研究现状 2

1.3.3德国的搅拌摩擦点焊研究现状 3

1.4搅拌摩擦点焊的发展趋势 3

1.5数值模拟铝合金FSSW温度场的研究现状及进展 4

1.6本文的研究内容和意义 5

第二章 铝合金FSSW温度场的数值模拟 6

2.1 DEFORM简介 6

2.2三维搅拌摩擦点焊热源模型的建立 6

2.2.1几何模型及材料属性 6

2.2.2有限元模型 7

2.2.3材料模型 9

2.2.4摩擦模型 9

2.2.5边界条件 9

2.3搅拌摩擦点焊产热数学模型 9

2.3.1搅拌摩擦点焊温度场基本方程 9

2.3.2轴肩产热数学模型 10

2.3.3搅拌针两侧产热数学模型 10

2.3.4搅拌针端面产热数学模型 11

2.4搅拌摩擦点焊中常见的工艺参数 11

2.5正交试验设计 11

第三章 铝合金FSSW温度场模拟结果分析 13

3.1温度场的计算结果 13

3.2焊接参数对搅拌摩擦点焊接头温度场的影响 15

3.2.1 搅拌头旋转速度对温度场的影响 15

3.2.2搅拌头下压速度对温度场的影响 16

3.2.3搅拌头下压深度对温度场的影响 17

3.3模拟温度场与实测温度场的比较及误差分析 18

3.4 搅拌摩擦点焊的微观组织分析 18

3.5搅拌摩擦点焊可能出现的焊接缺陷 19

3.6正交试验组结果及分析 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1引言

20世纪以来，工业化的迅速发展加剧了人类对原材料的需求。铝合金凭借其重量轻、抗腐蚀、易加工、焊接性能好等优点，成为工业生产中应用最为广泛的一类有色金属，在航空、航天、汽车、船舶、机械制造及化工产业等领域有着举足轻重的地位。尤其是在汽车行业，汽车制造商们为了减轻车身的重量，铝合金得到了广泛的应用，因而对材料的连接也提出了更高的要求。然而采用传统的焊接方法无法很好地解决这类连接问题，有些牌号的铝合金甚至被认为是不可焊的。搅拌摩擦点焊（简称FSSW）就是为了解决这类问题而被研发出来的创新型焊接技术。

目前的汽车生产中，点焊是汽车车身拼装的主要方法，在车身装配工作中占到了90%。通常汽车的车身是由众多焊点将多个厚度为0.8到1.2mm的薄板件拼装而成的。焊点的质量直接影响了到汽车车身的质量^[1]。

电阻点焊强度高、性能稳定、生产效率高，操作灵活，是常用的薄板连接工艺。然而由于铝合金的物理性能，使用这种方法在连接铝合金上存在较大的局限性。电阻点焊具有如下缺点^[2]：

(1)焊接过程需要较大的电流，电量消耗高。