在摩擦搅拌焊接过程中检查传热

高效，具有成本效益且对环境友好，摩擦搅拌焊接（FSW）对许多应用都有用。顾名思义，此过程涉及使用摩擦来加热材料，然后将它们搅拌在一起。为了获得最佳的FSW性能，生成的热必须是恰到好处的温度：太高且材料融化，削弱了焊缝；太少了，过程效率低下。使用COMSOL®软件，您可以在FSW过程中评估和改善传热。

用摩擦搅拌焊接产生强焊缝

摩擦搅拌焊接是一种固态连接过程，其中旋转工具将材料焊接在一起。工具的下半部分（即销）进入关节，旋转的摩擦将材料加热到足以使其软化，但不能融化它们。然后，销将材料混合在一起，产生坚固的焊缝。当工具沿关节移动时，上部（即肩膀）沿顶部滑动，使焊缝平滑并形成几乎无缝的外观。

使用FSW焊接了Falcon 9的助推水箱。史蒂夫·朱维森（Steve Jurvetson）的图像。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

与传统的融合焊接技术相比，FSW具有许多优势。这些焊缝不仅更强，更光滑，更轻，而且具有更高的机械性能，例如较高的疲劳性和拉伸强度。FSW中缺乏熔化还意味着需要较少的材料，从而使技术更具成本效益，适合极薄的材料（例如厚度小于1毫米的材料）。更重要的是，此过程不会产生有毒的烟雾，因此对于工人和环境来说，这都更安全。FSW的其他好处包括其速度；能够轻松自动化的能力；缺乏消耗品（例如，填充线）；以及连接不同材料（例如，与合金的塑料）或难以焊接的能力。

由于这些品质，FSW已被各个领域的制造商采用。在1991年获得专利仅五年后，该技术在造船行业商业使用，以制造渔船的冰柜面板。该过程已应用于其他运输应用中，例如超级上线，高速火车马车和航天器。以及台式计算机等电子设备。FSW甚至被用来密封核废料，创建烹饪设备和制造家具。

在应用程序中使用FSW之前，工程师必须评估工具的形状，大小和速度等方面的过程，以确保不会发生熔化。为此，他们可以模拟在FSW期间发生的传热传热模块，一种附加产品comsolMultiphysics®软件。

使用传热模块模拟FSW工艺

FSW模型几何形状由两个铝板和将它们焊接在一起的工具组成。得益于焊缝周围的对称性，并且由于旋转速度很高，因此仅模拟一个板是合理的。可以通过在板上添加对流的热通量项来捕获工具的翻译。这对应于使用与工具相同的速度转换的参考用途。使用此参考而不是移动的热源简化了模型，使其成为固定的对流传导问题，更容易解决。该工具的速度为1.59 mm/s，旋转为637 REV/m。

板（左）和焊接工具（右）的几何形状。

为了在FSW过程中评估板的温度，重要的是要准确说明该工具引起的所有三种形式的传热以及摩擦。在此示例中，您可以使用表面热源来表示销和板之间的摩擦。随着温度的升高，金属变得柔软。然后，工具（因此摩擦）诱导的剪切应力减少。温度对铝性能（因此其剪切应力）的影响可以通过基于实验数据的插值函数准确地描述。

定义温度和剪切应力之间关系的插值函数。

至于自然对流和表面上的辐射，都将热量从板上带走。为了建模这些现象，您可以实施热通量表达式，并使用文献中的经验值来计算传热系数。

尽管这是一个相对简单的示例，但FSW是一个复杂的过程。在这里不考虑搅拌，因为这涉及复杂的物理耦合，例如相变和材料流，而我们只是对传热感兴趣。另外，一旦温度达到铝的熔点，热量的产生将设置为零，因为在此点之后，销和板之间的摩擦非常低。

检查结果

从旋转工具的角度显示了FSW模型中的温度分布。最高温度位于销钉和板触摸的点。然后，热材料在工具后面移动，而较冷的材料则从正面进入。结果表明，板上没有熔化，并显示对流和辐射的冷却效果，这会影响焊缝的质量。

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。通过改善特定应用程序的这些方面，您可以提高整体FSW流程的效率。

下一步

想自己尝试这个例子吗？单击下面的按钮进入应用程序库，您可以在其中找到铝板教程的摩擦搅拌焊接的文档。您还可以为此模型下载MPH文件。

其他资源

• 观看此视频以查看如何改进使用仿真焊接应用程序
• 学习关于改进激光束焊接的研究在comsol乐动体育赛事播报博客上