温度, 0c
柱形螺纹面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度 , 0c
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0
柱形光面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度, 0c
250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700
40 30
v=160mm/min
40 30
残余应力, Mpa
残余应力, Mpa
20 10 0 -10 -20 -30 -50
20 10 0
-10 -20
后退侧
-40 -30 -20 -10 0 10
前 进侧
20 30 40 50
-30 -50
后退侧
-40 -30 -20 -10 0 10
前 进侧
20 30 40
v扎=1.0
300
400
500
600
转 速, rpm
700
800
900 1000 1100 1200
转速对预热峰值温度的影响
转速低，预热峰值温度也相应较低，预 热峰值温度随着转速增大而升高。
11
350
w=300rpm
300
350
w=500rpm
300
250
温度, 0c
200
温度, 0c
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Ad-bot-far
Flow direction
Rotate direction
流动位置标定示意图
25
三维FSW过程数值模拟
底部模拟结果
焊缝底部材料流动规律性较明显，材料都是从后退侧发生绕流， 流动迹线较光滑。仅靠近搅拌针附近的材料发生了塑性流变，距离探针 稍远位置的材料仍然逆焊接方向沿直线运动，前进边发生变形和流动的 材料要多于后退侧材料，且前进侧材料发生变形幅度较大。
19
残余应力, MPa
41.0
26.0
41
最 大拉伸残余应力
26.4 26.2
40
残余应力, MPa
39
25.8 38 25.6 25.4 25.2 36 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0
37
4.5
5.0
25.0 5.5
仰角,
仰角对最大残余应力的影响
随着仰角的增大，焊缝区残余压应力上升趋势较 明显；而热影响区残余拉应力降低幅度较大。
搅拌
搅拌针
软化壳体
(a)
(b)
(c)
(d)
搅拌针上部软化材料的流动模型
23
搅拌 针后 部
针后
部
搅拌针后部
ω
搅拌 针前 部
（3）搅拌针端部附近软化层流动
ω
搅拌针前部
ω
搅拌针前部 L1 流动到搅拌针 后部的软化层 软化层流动方向 搅拌针后部
L1
搅拌针后部 搅拌针前部形 成的软化层
L L
L L
L3
搅拌针端部附近软化材料流动模型
20
残余应力, MPa
最 大压缩残余应力
26.0
2、三维塑性流动模拟
（1)轴肩端面附近软化层的流动，如图中的L1段； （2)搅拌针上部软化层的流动，如图中的L2段（L2为搅 拌针的主体）；
（3)搅拌针端面附近软化层的流动，如图中的L3段。
ω
轴肩端面
L1 L L
搅拌针端面
21
（1）轴肩端部附近软化层流动
42.0
27.0
最 大压缩残余应力
41.5 26.5
残余应力, MPa
40.5
25.5
40.0
25.0
最 大拉伸残余应力
39.5
24.5
39.0 200
400
600
800
1000
24.0 1200
转 速, rpm
转速对最大残余应力的影响
转速的变化对焊缝区残余压应力以及热影响 区残余拉应力都有较明显的影响。转速增大过 程中，热影响区残余拉应力由小逐渐增大；而 焊缝区残余压应力由低升高最后趋于稳定。
3
1、焊接热循环及接头残余应力
热输入数学模型 （1）搅拌头扎入过程热输入数学模型 （2）焊接过程中的轴肩热输入数学模型
（3）焊接过程中的搅拌针热输入数学模型
4
1、焊接热循环及接头残余应力
Z
Rs Shoulder Pin root
2R1
dr
r R2 dθ
Pin side face
Δθ Micromelent
a) t=5s Tmax=21.2℃
b) t=15s Tmax=35.6℃
c) t=25s Tmax=82.6℃
d) t=35s Tmax=200.5℃
e) t=40s Tmax=298.1℃
f) t=45s Tmax=435.1℃
9
400 350 300 250
w=300, v扎=1.0 w=500, v扎=3.0 w=700, v扎=0.5 w=800, v扎=1.0 w=900, v扎=0.5 w=1100, v扎=0.5
3
4
5
a)Z轴温度循环
500
b)Z轴温度梯度
500 450
Thickness /mm
Temperature / ℃
Temperature / ℃
450 400 350 300 250 200 150 100 50 36 39 42 45 48 51 54
y=0mm y=5mm y=10mm y=15mm
700
800
900
转速和预热时间对预热温度的影响
长时间预热对提高预热温度作用不大，预热峰值温度 一般出现在搅拌头轴肩接触工件表面后的较短预热时间 （约10s）内。 12
500 450 400 350 300
锥 形螺纹面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度, 0c
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
时 间, s
时 间, s
螺纹面搅拌头温度上升速率较光面搅拌头大。锥 形搅拌头焊缝中心峰值温度与两侧峰值温度出现 时间不同步。 13
500 450 400 350
锥 锥 柱 柱
形螺纹 形光头 形螺纹 形光头
针 针 针 针
0
c
300 250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
50
距离, mm
距离, mm
残余应力曲 线呈“M”形分 布，不同焊速 残余应力分布 情况大致相同 。焊缝区均存 在较小的残余 压应力，而热 影响区同时都 存在较大的残 余拉应力。
17
不同焊速获得的残余应力曲线
44.0 43.5 43.0
26.6
最 大拉伸残余应力 最 大压缩残余应力
26.5 26.4 26.3 26.2 26.1 26.0 25.9
温度, 0c
200 150 100 50 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
时 间, s
不同转速对最高预热温度的影响
较小的扎入速度更容易获得较高 的预热温度
10
390 380 370 360
v扎=1.0 v扎=0.5 v扎=3.0
v扎=0.5
v扎=0.5
温度, 0c
350 340 330 320 310 200
锥形搅拌针热输入数学模型为：
Qcone =
3 2 4 . .F .R2 . R0 .L . . z L3 tg 2 ( . ) ＋ 3R 2 . 12 Cos Cos
7
多点测温仪
测温范围：0-900℃ 测温精度：±1℃ 采样周期：800ms 通道数目：1-8
8
搅拌针扎入过程温度分布
υ
υ
υ
ω
ω
ω
后腔
前腔 搅拌针前部
后腔 搅拌针后部
前腔
前腔
后腔
后腔
(a)
υ
(b)
υ
(c)
ω
ω
前进侧
流动起始位置
接合线 弧峰
后退侧 软化层
前腔
流动终止位置
后腔
弧峰
(d) (e) 轴肩端面附近软化层流动模型
22
（2）搅拌针上部附近软化材料流动
υ
搅拌 针前 部 搅拌 针后 部
软化壳体
υ
搅拌 针前
ω
部
软化微元
残余应力, Mpa
42.5 42.0 41.5 41.0
25.8 40.5 40.0 40 60 80 100 120 140 160 25.7 25.6
焊速, mm/min
焊速对最大残余应力的影响
随着焊速的增大，热影响区的残余拉应力有明 显降低的趋势；而在焊缝区内的残余压应力有增 大的趋势。
18
残余应力, Mpa
250
200
150
150
100
100
预 热时 间, s
0
100
200
300
预 热时 间, s
400
500
600
700
800