回填式搅拌摩擦点焊断裂机制研究

Refill friction stir spot welding(RFSSW) is a novel welding technique which is potential to replace conventional resistance spot welding and riveting process in practical production. The existing research at home and abroad is concentrated on effects of welding process parameters on mechanical properties of RFSSW joint.However, fracture mechanism of RFSSW joint is not clear at present. In this study, chosen 2024 aluminum alloy as research object, the fracture mechanism of RFSSW joint is revealed by analyzing the aspects of temperature, pressure, atom diffusion and softening of materials. Evolution law of temperature and pressure under different process parameters is also investigated by means of the method of combining finite element model(FEM) with experimental research. Meanwhile, in order to study the atom diffusion behavior and discuss the mechanism of solid state bonding of typical interface, molecular dynamic model based on EAM potential function is established. In addition, using Inverse model method to research mechanical property under different microstructures and building cohesive crack propagation model of RFSSW joint considering hook defect and mechanical property are utilized to reveal the correlations of welding parameters, microstructures andmechanical property, which lays the theoretical basics for promoting the research of RFSSW mechanism and application in practical engineering.

回填式搅拌摩擦点焊（Refil friction stir spot welding，RFSSW）是一种在实际生产中有望取代传统电阻点焊和铆接工艺的新型焊接技术。国内外已有研究主要集中在焊接参数对显微组织与力学性能的影响，而对于RFSSW接头的断裂机制尚不明确。本课题以2024铝合金为研究对象，通过对温度、压力、原子扩散与材料软化等的研究揭示点焊接头的断裂机制。利用有限元模拟与试验研究相结合的方法研究不同工艺参数下温度与压力的演变规律；建立基于EAM势函数的分子动力学模型，研究焊接过程的原子扩散行为，讨论典型界面固态焊合的机理。利用Inverse model方法研究不同显微组织下的力学性能，建立一种考虑hook缺陷与微观力学性能的RFSSW搭接接头的内聚力断裂裂纹扩展模型，揭示“焊接参数—微观组织—力学性能”三者间的相关性，为推动RFSSW焊接机理的研究及实际工程的应用奠定理论基础。

回填式搅拌摩擦点焊（Refill friction stir spot welding，RFSSW）是一种有望替代铆接和电阻点焊的技术，然而其断裂机制尚不明确。本课题以2024-T4铝合金为主要研究对象，利用有限元模拟、分子动力学模拟与试验研究相结合的方法研究不同工艺参数下温度、压力的演变规律及原子扩散行为，并通过对温度、压力、原子扩散等的研究揭示回填点焊接头的断裂机制。.首先，采用MSC. Marc软件和Fluent软件对不同参数下接头的温度场、流场及压力场进行模拟，模拟结果表明：最高温度位于套筒端面中心附近，最大材料流动速度位于套筒外侧。下扎过程中套筒下方为高压区，回填过程中搅拌针下方为高压区。增加下扎深度和转速均能提升焊点的峰值温度及高温区范围，而增加回填时间并未对焊点的峰值温度产生影响。同样地，增加下扎深度可以提高材料流动速度和压力峰值，而增加转速虽提高材料流动速度但降低了压力峰值。分子动力学模拟结果表明增加温度和扩散时间均能有效促进原子扩散，而压力的变化对原子扩散影响相对较小。在实际焊接过程中，SZ/TMAZ的连接强度、钩状缺陷的形貌及搭接界面的连接强度是影响接头拉伸性能和断裂机制的关键性因素。当接头受外力时，钩状缺陷往往是裂纹的起源位置。RFSSW拉剪接头的断裂模式主要有剪切断裂、剪切塞型断裂和塞型断裂。不充分的热输入（1.5s）、小下扎深度（1.4mm）及过高的热输入（2500rpm及3.5s）是造成剪切断裂的主要原因，过大的下扎深度（2.2mm）是造成塞型断裂的主要因素，合适的热输入及下扎深度会产生较大拉伸剪切载荷的剪切-塞型断裂模式。剪切断裂模式下接头的存在最小的拉剪载荷为5146N，剪切-塞型断裂模式下接头存在最大的拉剪载荷为9023N。.综上，转速、下扎深度及焊接时间对接头的钩状形貌、微观组织及原子扩散有重要影响。根据不同参数下接头的断裂模式建立了考虑hook缺陷与微观力学性能的RFSSW搭接接头的裂纹扩展模型，揭示了“焊接参数-微观组织-力学性能”三者间的相关性，为推动RFSSW焊接机理的研究及实际工程的应用奠定理论基础。