大厚度铝合金搅拌摩擦焊接的仿真与实验研究.pdf

大厚度铝合金搅拌摩擦焊接的仿真与实验研究江小辉姚梦灿张翼郭维诚侯春杰（上海理工大学机械工程学院，上海 200093；上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂，上海 200082；上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）摘要：针对 10 mm 大厚度 7050 铝合金板搅拌摩擦焊接需求，建立了任意拉格朗日欧拉模型，结合仿真分析和实验研究，分析了转速、焊接速度及焊接时间下接头温度场分布规律。实测温度和特征点的热循环曲线吻合较好，说明数值模拟可以用来预测温度场的分布规律。结果表明：不同焊接参数下焊缝横截面温度场分布均呈碗状。各位置点的峰值温度随着转速增大及焊接速度减小而升高，其中转速对峰值温度影响更显著。最后，实验验证 3 组工艺参数下接头的力学性能，实验表明，转速为 800 r/min、焊接速度为 1.6 mm/s 时，接头的力学性能较好。本研究方法为大厚度轻质合金搅拌摩擦焊接工艺的确定提供了参考和借鉴。关键词：7050 铝合金；搅拌摩擦焊；温度场分布；焊接参数中图分类号：TG406文献标识码：ADOI：10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.08.019Simulation and experimental research on friction stir welding of largethickness aluminum alloysJIANG Xiaohui,YAO Mengcan,ZHANG Yi,GUO Weicheng,HOU Chunjie(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,CHN;Shanghai Tobacco Group Co.,Ltd.,Shanghai Cigarette Factory,Shanghai 200082,CHN;ShanghaiAerospace Equipments Manufacture Co.,Ltd.,Shanghai 200245,CHN)Abstract：In order to meet the requirement of friction stir welding joint for 7050 aluminum alloy plate with 10mm thickness,an arbitrary Lagrange-Olah model was established,which was combined with simulationanalysis and experimental research,the distribution law of joint temperature field under rotating speed,welding speed and welding time was analyzed.The thermal cycle curves of the measured temperatureand the characteristic points are in good agreement,indicating that the numerical simulation can be usedto predict the distribution pattern of the temperature field.The results show that the temperature fielddistribution of the weld cross-section under different welding parameters are bowl-shaped.The peaktemperature at each location point increases with increasing rotational speed and decreasing weldingspeed,where the rotational speed has a more significant effect on the peak temperature.Finally,theexperimental verification of the mechanical properties of the joint under three groups of processparameters,found that 800 r/min,1.6 mm/s group of parameters under the better tensile properties,thestudy method for the determination of large thickness of light alloy stir friction welding processprovides a reference.Keywords：7050 aluminum alloy;friction stir welding;temperature field distribution;welding parameters 铝合金具有高比强度、易加工和质量轻等优点，被广泛应用于航空航天、交通和国防等领域 1。搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）作为一种新型固相焊接技术，具有热影响范围小、焊接质量好等优点，是目前最适用于铝合金焊接的方法之一2。但是在焊接铝合金的过程中仍然存在焊缝缺陷、焊接变形以及接头性能差等问题，而焊接过程温度场的分布规律对材料的塑性流动、焊接质量和接头性2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 133 能都有重要的影响3。工艺参数是焊接过程影响温度场分布的一个重要因素4。选取合适的参数进行焊接可以提高接头质量和焊接效率，所以研究工艺参数对温度场的分布规律具有重要的意义56。国内外很多学者针对工艺参数对温度场的影响和接头性能展开了研究。刘占军等7使用数值模拟的方法研究了搅拌摩擦焊不同焊接速度和搅拌头的转速对铝合金峰值温度的影响，发现焊接速度减小或者搅拌头转速提升都可以使峰值温度升高。崔超等8模拟了搅拌摩擦焊不同焊接参数对 5 mm 厚5A06 铝合金温度场的影响，结果表明，搅拌头转速对峰值温度的影响更大。朱海等9采用不同工艺参数对 3 mm 厚 2024-T4 铝合金进行焊接，发现过低的转速和过高的焊接速度都会使热输入过低，从而造成焊接表面粗糙。Mohan R 等10 采用数值模拟分别研究了水平的轴向力、焊接速度和转速对温度场分布的影响，并采用田口方法对峰值温度的工艺参数进行了优化。Lotfi A H 等11对 AA7075 铝合金搅拌摩擦焊的产热进行了仿真，发现随着转速的提高，焊缝流动温度和塑性应变增加。Ma F J 等12研究 7 075 铝合金焊接过程中的温度场，结果表明，高温区呈环状向外扩散，相比于焊接速度，搅拌头搅拌速度对峰值温度影响更大。冯莹莹等13使用有限元软件模拟了四组不同的工艺参数焊接铝合金板的温度场变化规律，发现转速和焊接速度小的参数热输入少，在实际焊接时材料会因热输入不够难以愈合而造成焊缝缺陷。由此可见，焊接不同的材料时，选择合适的工艺参数可以高效率提升焊接质量。但搅拌摩擦焊的工艺参数不具备普遍适用性，随着材料变化以及材料厚度变化，焊接工艺参数也需要调整。目前关于焊接工艺参数对 10 mm 以下薄板材温度场分布及接头性能影响的研究较多。本文参考焊接 10 mm 以上厚板材相关文献 1416，研究了搅拌摩擦焊工艺参数对 10 mm 厚 7050 铝合金温度场分布及接头性能的影响。许多学者先采用数值模拟对温度场进行预测，又用实验验证了数值模拟预测结果的可靠性1719，发现数值模拟的结果都与实验结果吻合较好，说明数值模拟可以较准确地预测实际焊接中温度场的变化，对实际焊接具有一定的参考性，节约实际焊接实验的成本。所以本文也将会采用数值模拟和实验验证的方法来研究工艺参数对 7050 铝合金搅拌摩擦焊过程中温度场的分布情况，并对 3 组工艺参数下实际焊接的板材进行拉伸试验，为探究工艺参数对焊缝质量和接头力学性能的影响提供一些参考。在 ABAQUS 中使用拉格朗日方法对 FSW 仿真时，会导致网格变形、温度畸变、计算不收敛等问题。因此，ABAQUS 中的拉格朗日方法不适用于模拟 FSW 的温度场6，20。本文所采用的是 ABAQUS 中的任意拉格朗日-欧拉方法对 FSW 的温度场进行模拟，这种方法相比于拉格朗日方法有更强的变形处理能力。1 模型与实验方法 1.1 焊接热源模型图 1 为轴肩示意图，图中 R1为轴肩的半径，R1=12 mm，R2为搅拌头的半径，R2=5 mm，r 为任意圆的半径。drR1R2r图图 1 轴肩示意图轴肩示意图 图 2 为搅拌头的简图，将搅拌针简化成了圆柱体，h 为搅拌针的长度，h=8 mm。Q1为轴肩产生摩擦热，Q2为搅拌头产生的摩擦热，其中 Q2又包含搅拌头的侧面与焊板的摩擦产热 Q3和搅拌针的底部与焊板的摩擦产热 Q4两部分，在搅拌针附近的焊板材料会塑性变形而产生热量 Q5，但这部分热量很小，所以计算时忽略不计2123。R1R2Q1Q2Q3Q4h图图 2 搅拌头简图搅拌头简图 Qtotal=（Q1+Q2）（1）Q1=2c3(R13R23)（2）Q2=Q3+Q4（3）2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 134 Q3=2chR22（4）Q4=2c3R23（5）Qtotal=2c3(R13+3hR22)（6）qs(r)=3Q1r2(R13R23)(R2 r R1)（7）q1(r)=Q2R22h(r R2)（8）式中：为产热效率，为转速，c为切应力，c=F/(R12)，为摩擦因数；F 为轴向压力。式（6）为搅拌头针的产热公式，式（7）为轴肩位置的面热源，式（8）为搅拌针的体热源。本文是基于 ABAQUS 软件，将上述的热源公式编写成相应的程序，通过 DFLUX 用户接口子程序以移动热源的形式添加到有限元的模型中，对FSW 焊接铝板时的传热过程中的仿真进行研究。1.2 几何模型工件采用 200 mm 150 mm 10 mm 的 7050 铝合金板，图 3 所示为几何模型。模拟环境的初始温度为 25。图图 3 几何模型几何模型 1.3 网格划分进行网格划分时，选择六面体网格单元，为了克服焊接过程中的非线性大变形问题，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）自适应网格重划分技术。为了保证计算效率以及准确的条件下，焊缝区域网格划分得更密，离焊缝越远的区域网格划分得越稀疏，划分效果如图 4 所示。网格划分后共产生单元总数87 750 个，节点总数 96 096 个。图图 4 网格划分网格划分 1.4 材料的属性在研究温度场的有限元分析时，7050 铝合金作为模拟材料。除了 7050 铝合金板的质量密度取定值 2 700 kg/m3，还需要用到该材料的热物理性能参数有比热容、热导率等，热物理参数一般会随着温度的变化而变化。表 1 为 7050 铝合金在不同的温度下的热物性参数。表 17050 铝合金的热物性参数温度/2540100200300400500热导率/（W/（mK）164.46 166.45 172.63 178.75181.69182.54比热容/（J/（kg）894.55925.4968.851 009.95 1 052.05 1 104.1 1.5 实验设置为了验证数值模拟对温度场的预测的准确性，本文采取实验验证。焊接时选用母材 200 mm150 mm10 mm 的 7050 系列铝合金板，使用转速和焊 接 速 度 分 别为 800 r/min1.6 mm/s、800 r/min2.5 mm/s、1 200 r/min2.5 mm/s 这 3 组参数来进行，具体焊接过程如图 5 所示。夹具板材轴肩800 r/min 1.6 mm/s800 r/min 2.5 mm/s1 200 r/min 2.5 mm/s图图 5 7050 铝合金搅拌焊接实验铝合金搅拌焊接实验 针对厚度为 10 mm 的 7050 铝合金板进行焊接工艺试验，先确定 3 组焊接参数。观察了不同焊接参数下 7050 铝合金 FSW 对接接头焊缝表面成形。结果表明主轴转速在 800 r/min，焊接速度为 1.6 mm/s的参数焊接表面较光滑；主轴转速在 800 r/min，焊接速度由 1.6 mm/s 增大到 2.5 mm/s 时，焊缝表面就会出现局部轻微皱褶状凹坑现象。而主轴转速由800 r/min 增大到 1 200 r/min 时，焊缝表面出现凹坑现象。2 FSW 模拟结果与分析 2.1 模拟值与实测值比较由上述实验加工可知，主轴转速在 800 r/min、焊接速度为 1.6 mm/s 的参数焊接表面较光滑，所以2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 135 采用这组参数作为实验焊接参数来研究实测温度与数值模拟热循环曲线的对比。如图 6 所示，本文在垂直焊缝截面 6 个点中选取了 P3、P4、P6作为 3 个测温点，使用热电偶法对 3 个特征点对温度进行测量。为了验证模型的可行性，进行多组实验测量，取各点测得温度的平均值，观察特征点模拟温度曲线和实测温度曲线的吻合程度。P6P6P4P2P1P3P5P4P2P1P3P5（a）测温点沿垂直焊缝的位置分布（b）在垂直焊缝上测温点距离上表面的位置图图 6 测温点的位置分布测温点的位置分布 图 7、图 8 和图 9 分别给出了 7050 铝合金焊接过程中测温点 P3、P4和 P6的模拟热循环曲线与实测结果的对比图。从图 7图 9 可以看出 3 个测温点的实测温度曲线和模拟热循环曲线存在一定的差异，但曲线的趋势基本相同。从图 7 可知，测温点 P3的模拟热循环峰值温度为 363，实测热循环峰值温度为381.2，相对误差为 4.8%。从图 8 可知，测温点P4的模拟热循环峰值温度为 285.6，实测热循环峰值温度为 294.9，相对误差仅为 3.2%。从图 9可知，测温点 P6的模拟热循环峰值温度为 256.9，实测热循环峰值温度为 276.3，相对误差为 7%。结果表明，实验测得的温度曲线和模拟的温度曲线吻合较好，证明了模拟结果可以较准确地预测温度场的分布规律，也证明该模型是准确可行的。通过图 7图 9 可以看出在升温阶段，实测曲线的值都高于模拟曲线，这是由于模拟曲线是在理想室温 25 的环境下进行的，而实际上室温与理想室温存在差异且试验次数增多积累一部分的热量，才导致实测温度在升温阶段是高于预测温度的。2.2 温度场模拟结果分析及验证图 10 显示了转速 800 r/min，焊接速度 2.5 mm/s条件下，接头在不同阶段的温度场分布。由图 10可以看出，焊接区域温度场均匀分布，搅拌头前进方向的等温曲线比后方的等温曲线更加密集，轴肩附近，接头温度梯度变化更显著；沿垂直于焊缝的方向到板材两端的温度逐渐变小。001002003004005006002550时间/s模拟热循环实测热循环温度/75100125150图图 7 测温测温点点 P3温度模拟曲线与实测曲线对比温度模拟曲线与实测曲线对比 001002003004005006002550时间/s模拟热循环实测热循环温度/75100125150图图 8 测温测温点点 P4温度模拟曲线与实测曲线对比温度模拟曲线与实测曲线对比 001002003004005006002550时间/s模拟热循环实测热循环温度/75100125150图图 9 测温测温点点 P6温度模拟曲线与实测曲线对比温度模拟曲线与实测曲线对比 随着焊接进入稳态阶段后，温度场分布呈现“洋葱环”状，并在相当长的时间内维持在小幅度内变动，直至搅拌头接近板材焊接末端，接头的峰值温度明显有增加的趋势，这是由于前进方向并无板材的热传导效应，且散热速度缓慢，使得焊缝部位的高温也有了相应的增加。2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 136 为进一步研究焊接过程中接头温度的变化情况，分别在板材表面上垂直于焊缝随机取 4 条路径 Y1、Y2、Y3、Y4，在焊缝上随机取 4 个特征点 A、B、C、D，如图 11 所示。NT11+4.408e+02+4.062e+02+3.715e+02+3.369e+02+3.022e+02+2.676e+02+2.329e+02+1.983e+02+1.636e+02+1.290e+02+9.431e+01+5.965e+01+2.500e+01NT11+4.641e+02+4.276e+02+3.910e+02+3.544e+02+3.179e+02+2.813e+02+2.447e+02+2.082e+02+1.716e+02+1.350e+02+9.845e+01+6.188e+01+2.532e+01NT11+5.240e+02+4.909e+02+4.578e+02+4.247e+02+3.916e+02+3.585e+02+3.254e+02+2.923e+02+2.592e+02+2.261e+02+1.930e+02+1.599e+02+1.268e+02NT11+4.907e+02+4.532e+02+4.156e+02+3.781e+02+3.406e+02+3.030e+02+2.655e+02+2.280e+02+1.904e+02+1.529e+02+1.153e+02+7.780e+02+4.026e+01（a）t=5.839 s（b）t=20.44 s（c）t=43.87 s（d）t=67.12 s图图 10 不同焊接时间接头的温度分布不同焊接时间接头的温度分布 焊接方向AY1Y2Y3Y4BCD图图 11 特征点、路径分布示意图特征点、路径分布示意图 图 12 为移动热源中心经过各路径时，板材横向位置各点温度值。可以看出温度场均呈现几乎对称的 M 型，其中“M”左侧为前进侧温度分布曲线，右端为返回侧的温度分布曲线。可以看出前进侧的峰值温度是略高于返回侧的，这主要是因为前进侧产生的摩擦热更多、热输入更高，且焊缝区域的温度比轴肩两侧更低，因为轴肩两侧离轴肩中心更远，线速度更大，产生的热量更高。图 13 显示了焊缝中心特征点的热循环曲线，当热源靠近并到达特征点时，特征点温度快速升高，因为搅拌头与板材产生了摩擦热，使温度上升。另外 3 个特征点都没有A 点的升温速度快，因为特征点 A 在预热区附近，热源在此区域的时间长，积累的热量多，当热源离开特征点后，该特征点的温度快速下降。焊接结束阶段，特征点温度开始缓慢下降至平稳阶段，焊接稳定时，焊缝峰值温度基本稳定，波动较小。0010020030040050050距离/mm温度/100ABCDY1Y2Y3Y4150图图 12 垂直焊缝各路径的温度分布垂直焊缝各路径的温度分布 002004006002040焊接时间/s温度/60ABCDABCD80图图 13 沿焊缝中心位置各特征点的热循环曲线沿焊缝中心位置各特征点的热循环曲线 2.3 焊接参数对温度场的影响为了研究焊接参数对接头温度场的影响，分别将焊接速度缩短至 1.6 mm/s、搅拌头转速增大至1 200 r/min，图 14 为不同焊接参数下焊缝表面及背面温度场分布。从图中可以看出当搅拌头转速增大时，焊缝表面及背面温度场都有明显的提升；焊接速度增大时，焊缝表面及背面温度场都有所下降。搅拌头转速增加到 1 200 r/min 时，接头的最高温度比转速为 800 r/min 时的最高温度高，最低温度也更低，呈现出“骤升骤降”的现象。图 15 为不同焊接参数下垂直焊缝截面温度场分布。截面云图显示靠近轴肩温度梯度大，焊核区上部峰值温度高于焊核区下部，焊缝上表面到下表面高温范围逐渐缩小，其温度场分布呈现上宽下窄的碗状。这是由于上表面靠近轴肩与轴肩产生了大量的摩擦热，温度自上向下传导，且传递的过程中温度越来越低，因此高温区域减少，且下表面与垫板直接接触，散热比较快。随着焊接速度增加，由2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 137 碗状变成了 V 状，可能是因为焊接速度增加，热量在板材上扩散得快，再加上板材底端与垫板接触本身散热快，使得高温区域变得更窄，所以高温区域趋于 V 状。NT11+5.526e+02+5.110e+02+4.694e+02+4.278e+02+3.862e+02+3.446e+02+3.030e+02+2.614e+02+2.198e+02+1.782e+02+1.365e+02+9.494e+01+5.333e+01NT11+4.907e+02+4.532e+02+4.156e+02+3.781e+02+3.406e+02+3.030e+02+2.655e+02+2.280e+02+1.904e+02+1.529e+02+1.153e+02+7.780e+01+4.026e+01NT11+7.238e+02+6.666e+02+6.094e+02+5.522e+02+4.949e+02+4.377e+02+3.805e+02+3.233e+02+2.660e+02+2.088e+02+1.516e+02+9.436e+01+3.714e+01（a）800 r/min 1.6 mm/s（b）800 r/min 2.5 mm/s（c）1 200 r/min 2.5 mm/s图图 14 不同焊接参数下焊缝表面及背面温度场分布不同焊接参数下焊缝表面及背面温度场分布 NT11+5.178e+02+4.791e+02+4.404e+02+4.017e+02+3.630e+02+3.243e+02+2.856e+02+2.469e+02+2.082e+02+1.695e+02+1.307e+02+9.204e+01+5.333e+01（a）800 r/min 1.6 mm/s（b）800 r/min 2.5 mm/s（c）1 200 r/min 2.5 mm/sNT11+4.498e+02+4.157e+02+3.816e+02+3.474e+02+3.133e+02+2.792e+02+2.450e+02+2.109e+02+1.768e+02+1.426e+02+1.085e+02+7.439e+01+4.026e+01NT11+6.912e+02+6.367e+02+5.822e+02+5.277e+02+4.732e+02+4.187e+02+3.642e+02+3.097e+02+2.552e+02+2.007e+02+1.461e+02+9.164e+01+3.714e+01P6P4P2P1P3P5P6P4P2P1P3P5P6P4P2P1P3P5图图 15 不同焊接参数下焊缝横截面温度场分布不同焊接参数下焊缝横截面温度场分布 为定量表征焊接参数对接头温度场影响规律，在焊缝横截面处选了 6 个位置点进行具体分析，各点的焊接热循环曲线如图 16 所示。001002003004005006002550时间/s（a）800 r/min 1.6 mm/s温度/75100125150001002003004005002550时间/s（b）800 r/min 2.5 mm/s温度/75100001002003004007005006002550时间/s（c）1 200 r/min 2.5 mm/s温度/75100P1P2P3P4P5P6P1P2P3P4P5P6P1P2P3P4P5P6图图 16 分析点的焊接热循环曲线分析点的焊接热循环曲线 由图 16 可以看出，6 个特征点的峰值温度都各不相同，但无论参数如何变化，基本变化趋势是相同的，当热源靠近特征点时，特征点的温度都呈现先快速上升，再逐渐下降至稳定温度，越靠近焊缝区域温度升高得越快，峰值温度越高，远离焊缝区域的温度升高得相对缓慢，峰值温度也更低。其中，搅拌头转速为 800 r/min，焊接速度越大，各特征点的峰值温度越低；焊接速度固定为 2.5 mm/s时，搅拌头转速越高，各特征点的峰值温度越高，转速增加至 1 200 r/min 时，P1点的最高峰值温度达2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 138 到了 690 左右，可能是因为这时随焊接速度的增加，单位时间内热输入减小，热量在板材上面扩散越多，所以峰值温度降低。当转速较大，搅拌头做功增加，产生的摩擦热也增加，因此热输入增加，峰值温度升高。3 实验验证结果温度场的分布规律对材料的塑性流动、焊接质量和接头性能都有着重要的影响。根据数值模拟结果，转速越高，焊缝区域的峰值温度就越高，速度越大，峰值温度越低。从上述 3 组焊接参数下的焊接表面可以看出主轴转速在 800 r/min，焊接速度为 1.6 mm/s 和 2.5 mm/s 的参数焊接表面较光滑，主轴转速在 1 200 r/min，焊接速度为 2.5 mm/s，表面比较粗糙，说明热输入过大会造成焊缝的表面起皮现象。从焊缝表面状态来看，旋转速度是影响焊接热输入的关键因素，转速越高焊接热输入越大，搅拌针周围材料塑性流动越容易，但材料塑性流动越容易并不总是有利于焊缝成形，相反材料塑性流动越大将越容易产生焊接缺陷。图 17 给出 7050 铝合金曲线焊接接头横截面照片，焊缝区域分为前进侧（advancing side，AS）和后退侧（retreating side，RS），其中前进侧搅拌针旋转方向与焊接方向一致，后退侧搅拌针旋转方向与焊接方向相反。从晶粒形态可以分析焊接过程中塑性材料的流动行为，焊缝区组织特征同样可划分为 以 下 区 域：焊 核 区（NZ）、热 力 影 响 区（TMAZ）、热影响区（HAZ）及母材区。后退侧TMAZ 材料在轴肩和搅拌针的共同作用下向焊核区内侵入，搅拌头影响区（PAZ）两侧 TMAZ 材料有向下流动的趋势，紧邻 PAZ 的材料向上流动。轴肩影响区热力影响区热力影响区热影响区热影响区后退测前进测2 mm搅拌针影响区焊核区图图 17 7050 铝合金接头横截面铝合金接头横截面 对主轴转速 800 r/min 表面成型良好的 7050 铝合金 FSW 对接接头横截面宏观形貌进行观察，如图 18 所示。可以看出，焊缝内部都没有出现内部焊接缺陷，也不存在根部弱连接、未焊透等缺陷，同时可以观察到搅拌焊核和搅拌针的锥形结构相似，呈上宽下窄的碗状，具有较好的对称性，而且可以观察到明显的“洋葱环”组织特征。800 r/min 1.6 mm/s800 r/min 2.5 mm/s图图 18 两种焊接参数两种焊接参数下下 7050 铝合铝合金金 FSW 对接接头横截面宏观形貌对接接头横截面宏观形貌 为了进一步研究 3 种焊接参数下接头的性能，按照国家标准 GB 2625-89 焊接接头拉伸试验方法，将试件用线切割机切成标准试样，如图 19 所示。拉伸测试在 CSS-44300 电子万能拉伸试验机上进行，加载速度为 2 mm/min，通过计算机打印出拉伸数据。285062881462535R20图图 19 拉伸试件的几何尺寸拉伸试件的几何尺寸 图 20 从左到右给出了转速和焊接速度分别800 r/min2.5 mm/s、800 r/min1.6 mm/s、1 200 r/min2.5 mm/s 这 3 组参数下的 7050 铝合金 FSW 接头力学性能变化规律。1025250抗拉强度/MPa2753003253503488.235610.63246.937540023024681012141618抗拉强度拉伸率图图 20 不同焊接参数不同焊接参数对对 7050 铝合铝合金金 FSW 接头力学性能的影响接头力学性能的影响 可以看出，抗拉强度随转速由 800 r/min 增加到 1 200 r/min 出现降低的趋势。当转速为 800 r/min，焊接速度为 1.6 mm/s 时，接头抗拉强度最大，达到 356 MPa，此时接头强度系数达到 83.4%，接头断后伸长率达到 10%以上。因此，转速为 800 r/min、焊接速度为 1.6 mm/s 时，接头具有较好的力学性能。2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 139 以上研究充分说明基于本仿真模拟方法可以得到较好的工艺参数，以满足大厚度工件搅拌摩擦焊接需求。4 结语以大厚度铝合金材质搅拌摩擦焊为需求，本文采用数值模拟和实验验证的方法研究了焊接工艺参数对温度场分布规律的影响，并基于研究结论验证了不同工艺参数下的接头抗拉性能，得出了以下结论。（1）当转速为 800 r/min、焊接速度为 2.5 mm/s时，焊接区域温度场均匀分布，轴肩附近的温度梯度大，搅拌头前进方向等温线密集。焊接稳态阶段，温度场波动范围小。焊接快结束时，接头的峰值温度更高。（2）热源经过垂直焊缝各路径时，温度场呈现几乎对称的 M 型。当热源接近并到达特征点时，特征点温度快速升高；离开特征点时，特征点温度缓慢下降至室温。（3）不同焊接参数下垂直焊缝横截面温度场分布均呈上宽下窄的碗状。焊缝横截面上 6 个位置点的温度曲线都呈先增后减的趋势，越靠近焊缝的位置点峰值温度越高。焊接速度增大，峰值温度降低；转速增大，峰值温度上升。（4）选取测温点的实测温度曲线和数值模拟曲线吻合较好，数值模拟对温度场分布规律的预测得到了验证。经过接头抗拉性能实验结果表明，当转速为 800 r/min、焊接速度为 1.6 mm/s 时，接头的抗拉性能更好。参考文献 管仁国，娄花芬，黄晖，等.铝合金材料发展现状,趋势及展望J.中国工程科学，2020，22（5）：68-75.1 Xu W F，Luo Y X，Zhang W，et al.Comparative study on local and globalmechanical properties of bobbin tool and conventional friction stir welded7085-T7452 aluminum thick plateJ.Journal of Materials Science&Technology，2018，34（1）：173-184.2 庞嘉尧，余乐，杨宏.搅拌摩擦焊中铝合金板材温度场的研究现状J.机械管理开发，2021，36（6）：277-280.3 王磊，谢里阳，张丹，等.搅拌摩擦焊接过程温度场动态仿真J.东北大学学报:自然科学版，2008（7）：1025-1028.4 顾乃建.搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟D.大连：大连交通大学，2018.5 武凯，贾贺鹏，孙宇，等.搅拌摩擦焊技术的研究进展J.机械制造与自动化，2020，49（6）：1-9.6 刘占军，姜秀萍，李亮，等.焊接工艺参数对LF5铝合金搅拌摩擦焊温度场的影响J.热加工工艺，2012，41（23）：145-147.7 崔超，吴志生，柴斐，等.5A06铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟J.焊接技术，2017，46（3）：12-15，97-98.8 朱海，孙朝伟，孙金睿，等.2024铝合金搅拌摩擦焊工艺参数对焊接质量的影响研究J.热加工工艺，2019，48（23）：159-162.9 Mohan R，Rajesh N R，Kumar S S.Finite element 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