厚板鋁合金靜止軸肩攪拌摩擦焊熱過程及受力狀態數值分析*

唐文珅，楊新岐，趙慧慧，郭立杰

（1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300350； 2.上海航天設備制造總廠，上海 200245）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）技術由于受到軸肩的限制，很難應用于工業領域中大量使用的T 接、角接等形式接頭。為克服上述局限性，英國焊接研究所（TWI）開發出靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW）技術。與傳統的FSW 相比，SSFSW 只有攪拌針旋轉產生摩擦熱，而軸肩靜止只在被焊工件表面發生摩擦滑動、起到擠壓焊縫成形作用，這使得SSFSW 焊接熱輸入顯著降低，既可避免沿板厚方向不均勻熱輸入，又可根據實際接頭設計軸肩形狀，實現鋁合金復雜角焊縫連接，在攪拌摩擦焊技術開發領域受到普遍關注。

目前國內外研究者對SSFSW已進行了許多應用基礎研究，試驗材料涉及鋁合金[1–4]、鈦合金[5–6]和鎂合金[7]；接頭形式有對接、搭接及T接等；試驗結果主要包括SSFSW 工藝優化及其接頭組織性能的演變規律探索等，但大部分鋁合金焊接板厚不超過6.35mm，很少有SSFSW 過程熱循環及接頭溫度場分布規律，尤其是攪拌工具承載狀態定量分析結果。如He 等[3]建立了2024–T4鋁合金FSW 和SSFSW 對接接頭熱力耦合模型，計算結果表明：SSFSW近焊縫處殘余拉應力與傳統FSW相比降低了45.9%；Wen 等[4]建立了2024 鋁合金SSFSW 搭接接頭歐拉–拉格朗日耦合模型，結果表明前進邊（Advancing Side，AS）的界面溫度高于后退邊（Retreating Side，RS），其熱過程具有非均勻分布特征等。SSFSW 攪拌工具承載狀態及焊接熱循環是影響其摩擦熱源、材料流動及焊接工藝的關鍵因素，但目前SSFSW 承載狀態及焊接熱循環主要基于試驗檢測，而采用數值方法研究的對象僅限于薄板材料，且計算結果沒有反映攪拌工具承載狀態的變化。……