摩擦搅拌焊接过程的传热研究

2018年 8月 6日

高效、经济、环保的摩擦搅拌焊接(FSW)在很多领域得到了广泛应用。顾名思义,这种焊接工艺是利用摩擦对材料进行加热,然后将这些材料搅拌在一起。为了获得最佳的 FSW 性能,产生的热量应当恰好获得合适的温度:如果温度过高,材料会熔化,从而降低焊接性能;如果温度过低,则这个过程的效率非常低。您可以使用 COMSOL 软件评估和改善 FSW 过程中的传热。

用摩擦搅拌焊接制造强固焊缝

摩擦搅拌焊接是一种固态连接工艺,在这个工艺过程中,旋转工具将材料焊接在一起。工具的下半部分(即销)进入接头,旋转产生的摩擦将材料加热到将它们软化、但不足以熔化的程度。然后,销将材料混合在一起,形成强固的焊缝。当工具沿着接头移动时,其上半部分(即肩部)沿着顶部滑动,使焊缝变得平滑,看上去几乎是无缝的。

A photograph of a tank built using friction stir welding. 通过摩擦搅拌焊接制造的罐图片。

猎鹰 9 号的助推器罐是用 FSW 方法焊接的。图片由 Steve Jurvetson 提供,在 CC BY 2.0, 许可下使用,通过 Flickr Creative Commons分享。

与传统的熔焊技术相比,FSW 有许多优势:焊缝更强固、更平滑、更细微,而且具有更好的机械性能,比如抗疲劳强度和抗拉强度更高。FSW 过程中不发生熔化也意味着需要的材料更少,使得该技术更具成本效益,而且适用于极薄的材料(例如厚度小于 1 mm 的材料)。此外,这个过程不会产生有毒气体,因此对工人和环境来说更安全。FSW 的其他好处包括速度快、容易自动化、节省耗材(比如填充焊丝);还能够连接不同材料(比如塑料与合金)或难以焊接的材料。

由于这些优势,FSW 已被各行各业的制造商采用。在 1991 年获得专利仅仅五年之后,这项技术就在造船业投入商用,应用于制造渔船的冷冻板。该工艺已应用于其他交通运输应用,如超级客轮、高速列车车厢和航天器,以及台式计算机等电子设备。FSW 甚至被用来密封核废料、制造烹饪设备和制造家具。

在应用 FSW 之前,工程技术人员必须评估工具的形状、尺寸和速度等方面的工艺,以确保不会发生熔化。为此,他们可以用 COMSOL Multiphysics 软件 的附加产品传热模块 来模拟 FSW 过程中发生的传热。

利用传热模块模拟 FSW 过程

FSW 模型几何结构由两块铝板和将它们焊接在一起的工具组成。由于焊缝周围的对称性和较高的旋转速度,只对一块板进行建模即可。可以通过在板中添加对流热通量项来捕捉工具的平移。这相当于使用与工具相同速度平移的参照物(而不是移动的热源)来简化模型,使其成为更容易求解的稳态对流-传导问题。工具的速度为 1.59 mm/s,转速为 637 rev/m。

An image showing the geometry of the aluminum plate. 显示铝板几何结构的图片。
An image showing the geometry of the welding tool. 显示焊接工具几何结构的图片。

板(左图)和焊接工具(右图)的几何结构。

为了估算 FSW 过程中板的温度,准确分析所有三种传热方式以及工具引起的摩擦非常重要。对于本例,您可以使用表面热源来表示销与板之间的摩擦。随着温度的升高,金属变软。然后,工具引起的剪切应力(以及由此产生的摩擦力)减小。可以通过基于实验数据的插值函数精确描述温度对铝性能(及其剪切应力)的影响。

A graph plotting the interpolation function for temperature and shear stress. 绘制温度和剪切应力插值函数的图表。

定义温度与剪切应力之间关系的插值函数。

自然对流 和表面对环境辐射都从板上带走热量。为了模拟这些现象,您可以使用热通量表达式,调用文献中的经验值计算传热系数。

FSW 是一个复杂的过程,但这个模型相对比较简单易行。这里不考虑搅拌,因为它涉及复杂的物理耦合,比如相变和材料流动,而我们只研究传热。此外,温度达到铝的熔点后,热生成量被设置为零,原因是,假设在此之后销与铝板之间的摩擦相当少。

分析结果

从旋转工具的角度显示了 FSW 模型中的温度分布。最高温度出现在销与板接触的位置。然后,热材料移动到工具后面,而温度较低的材料从前面进入。结果表明,板内没有熔化现象,而是显示出对流和辐射的冷却效果,从而影响焊缝质量。

COMSOL Multiphysics? simulation results for the friction stir welding model. COMSOL Multiphysics 中摩擦搅拌焊接模型的仿真结果。

铝板中的温度分布。

使用这样的模型,您可以分析 FSW 工具的形状和速度如何影响板的温度。通过在具体应用中对这些方面进行改进,可以提高整个 FSW 过程的效率。

后续操作

想要亲自尝试这个示例吗?请单击下面的按钮进入“案例下载”页面,从中可以找到铝板摩擦搅拌焊接教程的文档。您也可以用有效的软件许可和 COMSOL Access 帐户下载这个模型的 MPH 文件。

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