搅拌摩擦焊全局热流耦合模型及金属流动行为研究

Friction stir welding (FSW) is a new solid state welding technique under the actions of mechanical forces and frictional heat. Significant plastic flow occurs at high temperature during FSW. The weld quality relates to the material flow pattern closely during FSW process. FSW simulation based on computational fluid dynamics becomes a powerful tool for investigating the material flow pattern during FSW. The premise of reliability simulation is accurate description of the material flow behavior and heat input on the tool-workpiece contact surface. This project focused on using computer simulation and the combination of experimental research, global heat-fluid coupling model based on the computational fluid dynamics theory and simulation method of FSW is established. Metal plastic flow evolution and effect factors are studied. FSW process optimization design theory and method of control is studied. The results of this study have important significance for provides guidance to the welding parameter optimization and to the designing of the friction stir welding tools, and give a theoretical basis on controlling the weld formation, obtaining a weld joint without defect.

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）过程中，搅拌头附近的材料在高温下发生剧烈的塑性流动，其流动行为直接关系到接头质量。基于计算流体力学的FSW材料流动模拟是研究FSW过程中材料流动行为的重要手段。其可靠性模拟的前提是精确描述搅拌头-焊接构件接触行为及热源的产生。本项目拟在现有研究基础上，研究建立瞬时传热简化模型；研究建立搅拌头-焊接构件可变剪切应力接触界面模型；在此基础上建立FSW过程全局热流耦合模型。深入研究温度耦合影响下的FSW过程金属塑性流动演化规律。同时采用数值仿真及实验方法研究影响金属塑性流动规律的工艺因素及作用机理；基于金属流动演化预测建立FSW过程工艺的优化设计理论与控制方法。形成可预知焊缝质量、可控制金属流动的FSW理论与方法。本研究成果对发展我国先进焊接技术、加工过程的精确控制与优化理论具有重要意义。

基于有限元方法的搅拌摩擦焊(FSW)过程数值模拟技术以其低成本、高效率的优点及可视化和过程再现能力已成为研究焊接过程的一种重要手段，本项目首先基于计算流体力学(CFD)理论，研究建立FSW过程热流耦合模型，模拟得到了焊接过程中温度场分布云图、不同工艺参数下的三维速度矢量图和材料流线分布图。基于计算固体力学(CSM)理论，建立了FSW全过程热力耦合模型，利用任意拉格朗日-欧拉(ALE)网格自适应技术及质点跟踪技术模拟研究了焊接全过程金属流动行为，揭示了搅拌区金属材料的迁移特征。以6061、5A90铝合金为研究对象，开展了铝合金FSW实验研究，分析工艺参数对金属流动及组织、性能的影响。CFD模型模拟结果表明，随着搅拌针旋转速度的增加，搅拌针附近区域材料流动更剧烈，焊接速度的提高对搅拌针及其附近区域材料的流动影响不大。焊接过程中，材料在搅拌针前方分流，在搅拌针后方焊合。分流与焊合位置均位于前进侧(AS)。随着距焊缝表面距离的提高，焊合难度增大，从而使焊接过程中未焊合缺陷产生的倾向性增大。CSM模型模拟结果表明，搅拌区周围材料主要以旋转绕流及层流的形式向搅拌头后方迁移。上层金属有向下螺旋运动趋势，中部金属有先向上螺旋运动而后向下螺旋运动行为，在靠近焊件底部，金属材料则主要以层流的形式向搅拌头后方迁移。跟踪质点与搅拌针之间的相对位置关系对材料流动有着重要的影响。在水平方向上，随着与搅拌针相对距离的增大，搅拌针对材料流动行为的搅拌作用减弱。在垂直方向上，材料在焊接的上下部分有完全不同的流动模式。靠近轴肩的材料经绕流后沉积在AS上，随着与顶层距离的增大，流入到AS中的材料减少。实验结果验证了数值模型的可靠性。本研究揭示了FSW过程金属流动行为机制及影响因素，对建立和完善其理论基础，指导焊接工艺参数的制定具有重要的意义。