铝合金搅拌摩擦焊系统非线性振动特性

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.12.027

中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (12): 3023-3029.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.12.027

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铝合金搅拌摩擦焊系统非线性振动特性

莫帅¹^,²^,³(), 张燕琛¹^,², 李亚鑫¹^,², 李贝贝¹, 陈素姣⁴, 彭南江⁵, 张伟¹

^1.广西大学特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室, 南宁, 530004
^2.广西大学机械工程学院, 南宁, 530004
^3.华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室, 武汉, 430074
^4.柳工柳州传动件有限公司, 柳州, 545007
^5.柳州五菱汽车工业有限公司, 柳州, 545007

收稿日期:2025-01-23 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-12-31
通讯作者: 莫帅
作者简介:莫帅^*（通信作者），男，1987年生，教授、博士研究生导师。研究方向为非线性动力学。E-mail：moshuai2010@163.com。
基金资助:
广西科技重大专项(桂科AA23073019);广西科技重大专项(桂科AA24263074);广西杰出青年科学基金(2025GXNSFFA069016);国家自然科学基金(52265004);智能制造装备与技术全国重点实验室开放课题(IMETKF2025021)

Nonlinear Vibration of Friction Stir Welding System of Aluminum Alloys

Shuai MO¹^,²^,³(), Yanchen ZHANG¹^,², Yaxin LI¹^,², Beibei LI¹, Sujiao CHEN⁴, Nanjiang PENG⁵, Wei ZHANG¹

^1.State Key Laboratory of Featured Metal Materials and Life-cycle Safety for Composite Structures，Guangxi University，Nanning，530004
^2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning，530004
^3.State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074
^4.Liugong Liuzhou Driveline Co. ，Ltd. ，Liuzhou，Guangxi，545007
^5.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co. ，Ltd. ，Liuzhou，Guangxi，545007

Received:2025-01-23 Online:2025-12-25 Published:2025-12-31
Contact: Shuai MO

摘要/Abstract

摘要：

铝合金搅拌摩擦焊相比传统焊接方式接头质量好、残余应力小，研究其非线性动力学特性有助于优化焊接工艺，提高焊接质量。考虑热塑性材料流动、时变顶锻力和塑性金属摩擦模型等多种因素，建立了铝合金搅拌摩擦焊系统非线性动力学模型。采用Runge-Kutta法求解系统微分动力学方程，利用分岔图、相图等描述搅拌针转速和进给速度对系统非线性行为的影响。结果表明：随着搅拌针转速增大，系统依次呈现混沌与倍周期交替后单周期振动的特性；随着搅拌针进给速度增大，系统由单周期振动经历混沌与倍周期状态后回到单周期振动。同时，当进给速度在560~570 mm / min时，随搅拌针转速增大，系统反而趋于失稳。合理选取搅拌针转速与进给速度可预防系统失稳，有效降低系统振动幅度。

关键词: 铝合金, 搅拌摩擦焊, 非线性动力学, 混沌与分岔

Abstract:

Compared to traditional welding methods， friction stir welding of aluminum alloys produced joints with better quality and smaller residual stress. The study of nonlinear dynamic characteristics helped to optimize the welding processes and enhance welding quality. A nonlinear dynamics model for aluminum alloy friction stir welding systems was established by considering factors such as the flow of thermoplastic materials， time-varying forging forces， and the friction model of plastic metals. The system's differential dynamics equations were solved using the Runge-Kutta method， and the influences of tool rotation speed and feed rate on the system's nonlinear behaviors were described by employing bifurcation diagrams and phase diagrams. The results show that as the tool rotation speed increases， the system sequentially exhibits chaotic behavior and period-doubling bifurcations before stabilizing into periodic motion. As the tool feed rate increases， the system transitions from periodic motion through chaotic and period-doubling states before returning to periodic motion. Additionally， when the feed rate is within the range of 560 to 570 mm/min， the system tends to become unstable instead as the tool rotation speed increases. Proper selection of tool rotation speed and feed rate may prevent system instability and effectively reduce vibration amplitude.

Key words: aluminum alloy, friction stir welding, nonlinear dynamics, chaos and bifurcation

中图分类号:

TG453.9

莫帅, 张燕琛, 李亚鑫, 李贝贝, 陈素姣, 彭南江, 张伟. 铝合金搅拌摩擦焊系统非线性振动特性[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3023-3029.

Shuai MO, Yanchen ZHANG, Yaxin LI, Beibei LI, Sujiao CHEN, Nanjiang PENG, Wei ZHANG. Nonlinear Vibration of Friction Stir Welding System of Aluminum Alloys[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(12): 3023-3029.

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图/表 18

图1 搅拌摩擦焊的结构和受力示意图

Fig.1 Structure and force diagram of friction stir welding

图2 搅拌摩擦焊和金属切削对比图

Fig.2 Comparison diagram of friction stir welding and metal cutting

图3 搅拌针周围材料流动及底面摩擦应力示意图

Fig.3 Schematic diagram of material flow and bottom friction stress around the stirring needle

图4 铝合金搅拌摩擦焊接系统动力学模型

Fig.4 Dynamic model of friction stir welding system for aluminum alloy

表1 系统技术参数

Tab.1 System technical parameters

参数名称	参数值	参数名称	参数值
轴肩半径/mm	18	质量/kg	1
搅拌针半径/mm	8	压深/mm	0.1
搅拌针长度/mm	3.8	工件屈服强度/MPa	235.3

图5 激励频率Ω影响下系统位移分岔图

Fig.5 System displacement bifurcation diagram under the influence of excitation frequency Ω

图6 激励频率Ω影响下最大李雅普诺夫指数

Fig.6 Maximum Lyapunov exponent under the influence of excitation frequency Ω

图7 Ω =0.2328时系统非线性响应

Fig.7 Nonlinear response of the system at Ω =0.2328

图8 Ω =0.2516时系统非线性响应

Fig.8 Nonlinear response of the system at Ω =0.2328

图9 激励频率 Ω 影响下系统动态响应三维图

Fig.9 Three-dimensional plot of the dynamic response of the system under the influence of excitation frequency Ω

图10 进给速度v变化时激励频率 Ω 影响下分岔图

Fig.10 Bifurcation diagram under the influence of excitation frequency Ω when feed rate v is varied

图11 进给速度v影响下系统位移分岔图

Fig.11 Bifurcation of system displacement under the influence of feed rate v

图12 进给速度v影响下最大李雅普诺夫指数

Fig.12 Maximum Lyapunov exponent under the influence of feed rate v

图13 v =0.2072时系统非线性响应

Fig.13 Nonlinear response of the system at v=0.265

图14 v =0.22时系统非线性响应

Fig.14 Nonlinear response of the system at v=0.22

图15 进给速度v影响下系统动态响应三维图

Fig.15 Three-dimensional diagram of the dynamic response of the system under the influence of feed rate v

图16 激励频率 Ω 变化时进给速度v影响下系统分岔图

Fig.16 Bifurcation diagram of the system under the influence of feed rate v when the excitation frequency Ω is varied

图17 不同进给速度下铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能

Fig.17 Mechanical properties of aluminum alloy friction stir welded joints under different feed speeds

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铝合金搅拌摩擦焊系统非线性振动特性

Nonlinear Vibration of Friction Stir Welding System of Aluminum Alloys

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