Page 24 - 《应用声学》2023年第4期
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处温度逐渐降低，且温度从搅拌头附近向四周降低 仿真的结果可以看出，搅拌头转速是影响焊接区域
的温度梯度增大，即单位距离上的温度差变大。从 温度的主要因素。
y y
x x
(a) n=400 r/min, v=0.5 mm/s (b) n=1400 r/min, v=0.5 mm/s
y y
x x
(c) n=400 r/min, v=2.5 mm/s (d) n=1400 r/min, v=2.5 mm/s
图 7 不同转速和焊接速度时的温度分布图
Fig. 7 Cloud diagram of workpiece surface temperature distribution
6061 铝合金的熔点大约在 582 C，一般认为 3.2 流体场分析
◦
金属在达到熔点的 80% 时塑性状态较为良好，因 UAFSW过程中的材料流动是一种典型的黏性
此 6061 铝合金的最佳焊接温度应在 465.6 C 附近， 流体。在对 UAFSW 进行流体分析时，忽略材料的
◦
即热力学温度约为 739 K。搅拌头转速过大会导致 体积和密度的变化，将流体看作是不可压缩的流体。
UAFSW 热输入量过大，温度超过塑性流动的最佳 图 8 为 UAFSW 搅拌区域的边界模型图，工件与搅
温度 739 K，甚至接近工件的初始熔化温度，从而导 拌头轴肩和搅拌针接触的区域设为旋转面，旋转速
致焊接表面起皮，部分金属材料溢出搅拌头轴肩还 度为 900 r/min，边界条件选择无滑移边界进行仿
会生成飞边、毛刺等缺陷，温度过高也会导致超声 真分析。
振动系统升温过快，影响超声振动的稳定输出；转动
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速度过低会导致热输入量不足，使达到塑性流动状
态的材料减少，造成 “隧道型” 孔洞等缺陷。而焊接
速度过大会导致单位长度上热输入量的不足，导致 ᭢ൣ᭧
焊接区域由于塑性流动不足而产生表面沟槽、未焊
透、裂纹等缺陷；焊接速度过低会导致焊接温度高
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于塑性流动的最佳温度，造成飞边等缺陷，同时，焊
接速度直接影响到焊接的效率，焊接速度过低会造
图 8 FSW 流场边界示意图
成焊接效率低下，焊接成本提高。
Fig. 8 Boundary diagram of FSW flow field
根据以上仿真分析结果，选取搅拌头转速为
900 r/min，焊接速度为 1.4 mm/s，在该参数下搅拌 图 9 为搅拌头在距离搅拌区上表面 0.5 mm、
区的体平均温度为 748 K，最高温度为 849 K，该温 1 mm、4 mm 及 5 mm 位置处的速度矢量图，从图 9
度下既不会出现材料的局部熔化，也不会造成塑性 中可以看出，距离上表面越近受到搅拌头轴肩的影
流动不足的情况。 响越大，外圈的速度明显大于内圈，随着沿轴向的不
