搅拌摩擦焊是一种由英国焊接研究所（TWI）在1991年发明的一种新兴的轻金属材料的连接方法。该技术的发明出世以来得到了行业专家和社会的高度关注和持续的研究。

搅拌摩擦焊的主要工作原理与常规焊接一样，也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同的地方在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱或者圆锥或者其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部分的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接。

搅拌摩擦焊主要适用于铝，镁，铅，钢，铜等传统焊接工艺难以焊接的金属材料。而且与弧焊，激光焊，电子束，和钎焊等传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接温度低，接头残余应力小，焊接工件变形小等优点。

本次对于搅拌摩擦焊的研究主要针对搅拌头的结构。根据近几年中外文献的研究显示，搅拌头的主要由搅拌针和轴肩组成。轴肩在焊接过程中主要起提供封闭的焊接环境和与工件摩擦以提供焊接热源。而具体影响搅拌头机械搅拌性能和搅拌过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式的主要构件是搅拌针，所以本次研究过程中应该把搅拌针的形貌和几何尺寸研究放在首位，对与轴肩的结构不做过多研究。

近年来，对于搅拌摩擦焊的研究以及理论有了很大的进展，但是考虑到直接的实验成本过高，而数值模拟的方法具有成本低，操作方便和易于修改的优点。所以采用计算机辅助数值模拟成了目前搅拌摩擦焊研究的重要手段。搅拌摩擦焊过程的数值模拟过程中涉及到材料的热流动和变形问题，所以就针对其温度场和应力场进行研究。

辅助模拟的具体方法经过查阅文献，决定采用ANSYS软件建模和有限元分析。有限元法是一种求解偏微分方程边界问题的数值技术，有限元模型的分析较为关键的影响因素为初始条件，边界条件和而网格的划分。即可利用有限元软件ANSYS建立3D模型对搅拌摩擦焊进行热力分析和大致的应力分析。

本次研究的主要目的为在之前他人搅拌头研究成果上，进一步的找到更加完美的搅拌头的形状和尺寸并验证是否可行。对于国内焊接行业来说，搅拌摩擦焊还是一种比较崭新的技术，对于搅拌头这种核心技术的研究山不够深入。本次研究成果将会对国内搅拌摩擦焊的研究添砖加瓦，加快我国对于优质的搅拌头的研发和发展提供具有价值的参考。

本次研究大多是使用计算机建模与分析，安全系数高，研究的前期不需要过多材料进行实验，后期成品可能会制作出来并且进行效果验证。本此研究不会造成环境污染。总体来说，本次研究是一个对焊接行业的发展有利，甚至是造福社会之举。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本次设计为利用计算机软件进行搅拌摩擦焊搅拌头的设计及建模，并利用ANSYS进行温度场应力场有限元分析。