攪拌摩擦焊流場仿真技術應用現狀研究

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作為一種新型固相連接技術，焊接質量高，廣泛應用于航空、航天、船舶等領域。焊縫區域的材料流動對焊接質量具有重要的影響，一些學者采用試驗方法研究焊縫金屬的流動情況，只能通過焊后工件中跟蹤點的分布來推測材料的流動過程，無法直接觀察到焊接的動態過程[1]。隨著計算機技術的發展，數值仿真技術成為攪拌摩擦焊流場可視化的重要手段，并逐漸應用到新型攪拌工具設計和攪拌摩擦焊接方法的研究中。

本研究通過綜述攪拌摩擦焊流場仿真技術在塑性材料流動機理、攪拌工具結構優化以及輔助能量影響分析等方面的應用現狀，對流場仿真技術的研究進展和成果進行總結，為攪拌摩擦焊仿真技術從理論分析應用到工程實踐提供參考和依據。

1 塑性材料流動機理

Hamilton等人[2]建立了攪拌摩擦焊熱力耦合仿真模型來研究焊縫內部塑性材料的流動機理，結果表明，工件上表面材料被攪拌針旋推至后退側后，一部分隨攪拌頭旋轉數周后沉積在攪拌頭后方，一部分在螺紋作用下進入攪拌區；中部和下表面的材料則隨攪拌針旋轉并在螺紋作用下向下移動，仿真結果與試驗結果具有較好的一致性。此外，不同于“抽吸-擠壓”理論[3]，該研究從微觀尺度研究了洋蔥瓣花紋的成形機理，發現進入焊核區的上表面高溫金屬與溫度較低的焊核區金屬的第二相狀態不同，兩者在攪拌頭作用下交替堆疊，形成了洋蔥瓣花紋。采用掃描電子顯微鏡觀察研究洋蔥瓣花紋區域，發現第二相的分布狀態與洋蔥瓣花紋吻合，驗證了該假說的正確性。焊核區洋蔥瓣花紋的SEM圖像如圖1所示。

圖1 焊核區洋蔥瓣花紋的SEM圖像[2]

為了更加直觀地研究塑性材料的流動機理，Dialami等人[4-5]將粒子示蹤方法與流場仿真相結合，提出了一種新的材料流動可視化方法，并應用于帶螺紋攪拌針的流場分析中。該方法采用拉格朗日結構描述攪拌針，工件采用歐拉結構建模，攪拌區域采用ALE運動力學描述。結果表明，焊縫金屬在前進側和后退側的流動狀態不同，即材料流場并非相對于焊縫對稱。不同厚度下材料流場的試驗與仿真結果對比如圖2所示，從左至右依次為上表面、中部和下表面的材料流動情況。可以看出，不同厚度下的流場模擬結果均與試驗結果吻合。

圖2 不同厚度下的材料流動情況[3]

對于焊縫表面的塑性材料流動情況，Fourment等人[6]采用FORGE3軟件分析了攪拌摩擦焊過程中飛邊的形成過程。此后，Zhang等人[7]基于計算固體力學方法，采用DEFORM-3D軟件研究了焊接過程中飛邊及表面魚鱗狀紋理的形成過程，模擬結果與試驗結果一致，如圖3所示。研究表明，焊縫兩側均出現飛邊，且后退側的飛邊數量多于前進側；飛邊的微觀結構可分為兩部分，一部分材料晶粒細小，發生了再結晶，另一部分材料與母材相似，無再結晶過程；焊縫表面材料的塑性變形分布不均勻，前進側材料的塑性變形最大。

圖3 焊縫表面塑性材料的流動情況[8]

一些學者對流場中材料的流動速度進行了系統研究。Zhang等人[8]基于率相關的材料本構建立了完全熱力耦合仿真模型，研究焊接過程中材料流速的分布規律，結果表明焊縫上部材料的流動速度大于下部材料，后退側材料的流動速度大于前進側材料。Luo等人[9]建立的多物理場耦合模型分析結果表明，工藝參數對材料流速的影響很大。該研究考慮到工件與攪拌工具之間存在滑移，采用參數δ·Rω/vw來表征工藝參數對材料流速的影響，如圖4和圖5所示，其中δ為滑移率，Rω為轉速，vw為焊接速度。可以看出，焊核區的流線以焊核為中心形成漩渦，δ·Rω/vw增大，流場速度增大，漩渦中心由橢圓變為圓形；軸肩影響區的最大速度出現在后退側，外側材料的流速大于中心的。此外，通過對比仿真分析與試驗結果發現，工藝參數的大小與焊縫表面魚鱗狀紋理的形狀存在一定關系。而對于異種材料焊接，有研究表明，除轉速和焊接速度外，異種材料的位置也影響材料在三維空間的流速分布[10-11]。

圖4 不同工藝參數下焊核區的流速跡線[9]

圖5 不同工藝參數下軸肩影響區的流速跡線[9]

流場仿真技術作為材料流動可視化的重要方法，有助于深刻理解攪拌摩擦焊的焊縫成形過程，以及洋蔥瓣花紋、飛邊等特征的形成機理，從而為工藝參數的優化提供依據。

2 攪拌工具結構優化設計

攪拌工具的幾何形貌和尺寸不僅影響焊接過程的熱輸入量，還與焊接過程中攪拌頭附近塑性金屬的流動形式有關。深入研究攪拌工具對材料流動的影響規律有助于優化攪拌工具結構。

Kishore等人[12]采用FLUENT軟件建立了二維攪拌摩擦焊仿真模型，研究不同形狀的攪拌針周圍的流場分布，如圖6所示。可以看出，不合理的攪拌針形狀會產生不規則的流場，容易導致缺陷，但是該模型無法得到材料在厚度方向的流動情況。Jain等人[13]研究了攪拌針螺紋對材料三維流場的影響，發現螺紋的存在可以擴大攪拌區域，提高材料流動的速度，并使材料產生厚度方向的流動，而沒有螺紋的攪拌針在厚度方向的材料流動很弱。姬書得等人[14]揭示了材料流動方向與螺紋旋向的關系，發現減小攪拌針錐角及螺紋槽距可以提高焊件內部材料的流動速度，避免產生根部缺陷。Fadi等人[15]發現，帶有切面的攪拌針可以提高材料的流動速度，有利于減少孔洞缺陷。張利國等人[16]研究表明，軸肩結構對料流動趨勢的影響較小，而對材料流動速度的影響明顯。改變軸肩結構不僅影響焊件內部材料在水平方向的流動速度，對材料沿工件厚度方向的流動速度也有較大影響。當攪拌頭的軸肩端面為同心圓時，可顯著提高軸肩端面、焊件內部以及焊件底部的材料流動速度，避免根部缺陷的產生。

圖6 不同的攪拌針形狀產生的流場[12]

焊接學者們除了研究傳統攪拌工具攪拌針和軸肩等結構特征外，對一些新型攪拌工具的流場仿真分析也逐步開展。雙軸肩攪拌摩擦焊解決了傳統攪拌摩擦焊對工裝要求高且容易產生背面未焊透等問題，使焊接設備變得輕便，是空間制造領域的潛在技術[17]。胡曉晴[18]研究了雙軸肩攪拌摩擦焊在水平方向上的材料流動行為，結果表明前進側材料隨著攪拌頭的旋轉前移，沉積在軸肩后方，而后退側材料最終在前進側后部停留，這與常規攪拌摩擦焊相似。王非凡[19]基于所建立的熱力耦合模型研究了雙軸肩攪拌摩擦焊三維流場，結果表明材料在空間的流動呈上下對稱的沙漏形狀，與文獻[20]的試驗結果一致，如圖7和圖8所示。由于軸肩的影響，金屬在焊縫上下表面的材料流動速度最大，焊縫中部區域的材料流動速度較小，并且在前進側攪拌針后方的工件中心存在流動弱區。

圖7 雙軸肩攪拌摩擦焊三維流場[19]

圖8 雙軸肩攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌[20]

此外，傳統攪拌摩擦焊無法發揮軸肩對于溫度場和流場的有效調控，差速攪拌摩擦焊應運而生。石磊等人[21-22]研究了逆向差速攪拌摩擦焊過程中的材料流動規律，如圖9a所示。可以看出，由于攪拌針和輔助軸肩轉動方向相反，在該截面深度下存在兩種不同方向的材料流動。在前進側的塑性材料以順時針方向轉動，并且在輔助軸肩的作用下從前進側流過，而后退側的塑性材料則逆時針流動。材料在厚度方向的流動情況也不相同，距攪拌針底部越近，軸肩影響越小，材料流動速度越小。該研究對比了仿真與試驗結果中熱機影響區的形貌，兩者的邊界基本吻合，如圖9b所示。當輔助軸肩轉速為0時，即為靜止軸肩攪拌摩擦焊，該焊接方法不會產生飛邊及魚鱗狀表面，可得到表面光滑的焊縫。文獻[23-24]對靜止軸肩攪拌摩擦焊進行了試驗研究，對其流場仿真的研究還未見相關報道。

現有研究主要側重于結構特征的有無以及新結構形式的設計，還停留在定性分析階段，而對于攪拌工具系列化、參數化的設計鮮有報道。因此，結合仿真技術及結構優化方法，定量化地研究攪拌工具結構將是攪拌工具研究的重要方向。

3 輔助能量影響規律分析

攪拌摩擦焊輔助能量類型可分為熱能輔助（如激光、電弧感應、電流等）和機械能輔助（如超聲振動等），輔助能量的施加可以改善材料的流動和產熱[25]。借助仿真技術有助于深入理解輔助能量的作用機理，而如何在建模時準確地描述和施加輔助能量則是研究輔助能量對攪拌摩擦焊流場影響的關鍵。

圖9 逆向差速攪拌摩擦焊流場仿真與試驗結果對比[21]

針對激光輔助攪拌摩擦焊（LAESW），宋新華等人[26]將激光熱源看作熱流密度服從高斯分布的二維面熱源處理，進行了Q235鋼的三維流場分析，發現合適的激光熱源能夠軟化攪拌頭前進方向的工件材料而不會超過材料熔點，有助于提高材料的流動速度，減少攪拌針磨損。賀地求等人[27]基于計算流體力學和彈塑性力學理論，采用FLUENT軟件研究了UAFSW的流場特性，并與常規攪拌摩擦焊方法進行對比。該研究將超聲波的作用分解為慣性力對熱輸入的影響和超聲聲壓場對流場的影響，實現了超聲波與攪拌摩擦焊的結合。結果表明，超聲波在塑性或熔融狀態下的鋁合金中傳播時會產生聲壓差，聲壓差驅動材料流動，可提高塑性流動區的峰值流速，擴大塑性流動區域，如圖10所示。聲壓大小與鋁合金的溫度相關，熔融狀態下，聲壓驅動力最大，對材料流動性的提高也更加明顯。

圖10 UAFSW與FSW的流場對比[27]

4 結論

隨著現代工業的發展，數值仿真技術的作用愈加重要，而攪拌摩擦焊流場仿真技術對于深入了解材料流動機理、優化工藝參數和攪拌工具結構具有重要的應用價值。但是，攪拌摩擦焊接過程非常復雜，包含傳熱、塑性變形、組織相變等過程。建立準確的仿真模型，從而推廣到工程應用中，既需要深入研究焊接過程中材料屬性、接觸模型以及邊界條件的定義，也需要將仿真分析與試驗研究相結合來驗證模型的正確性。流場仿真技術真正應用到工程實踐將大幅度提高設計和生產效率，降低人力、物力和時間成本。