搅拌摩擦焊流场仿真技术应用现状研究

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海200245）

0 前言

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种新型固相连接技术，焊接质量高，广泛应用于航空、航天、船舶等领域。焊缝区域的材料流动对焊接质量具有重要的影响，一些学者采用试验方法研究焊缝金属的流动情况，只能通过焊后工件中跟踪点的分布来推测材料的流动过程，无法直接观察到焊接的动态过程[1]。随着计算机技术的发展，数值仿真技术成为搅拌摩擦焊流场可视化的重要手段，并逐渐应用到新型搅拌工具设计和搅拌摩擦焊接方法的研究中。

本研究通过综述搅拌摩擦焊流场仿真技术在塑性材料流动机理、搅拌工具结构优化以及辅助能量影响分析等方面的应用现状，对流场仿真技术的研究进展和成果进行总结，为搅拌摩擦焊仿真技术从理论分析应用到工程实践提供参考和依据。

1 塑性材料流动机理

Hamilton等人[2]建立了搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型来研究焊缝内部塑性材料的流动机理，结果表明，工件上表面材料被搅拌针旋推至后退侧后，一部分随搅拌头旋转数周后沉积在搅拌头后方，一部分在螺纹作用下进入搅拌区；中部和下表面的材料则随搅拌针旋转并在螺纹作用下向下移动，仿真结果与试验结果具有较好的一致性。此外，不同于“抽吸-挤压”理论[3]，该研究从微观尺度研究了洋葱瓣花纹的成形机理，发现进入焊核区的上表面高温金属与温度较低的焊核区金属的第二相状态不同，两者在搅拌头作用下交替堆叠，形成了洋葱瓣花纹。采用扫描电子显微镜观察研究洋葱瓣花纹区域，发现第二相的分布状态与洋葱瓣花纹吻合，验证了该假说的正确性。焊核区洋葱瓣花纹的SEM图像如图1所示。

图1 焊核区洋葱瓣花纹的SEM图像[2]

为了更加直观地研究塑性材料的流动机理，Dialami等人[4-5]将粒子示踪方法与流场仿真相结合，提出了一种新的材料流动可视化方法，并应用于带螺纹搅拌针的流场分析中。该方法采用拉格朗日结构描述搅拌针，工件采用欧拉结构建模，搅拌区域采用ALE运动力学描述。结果表明，焊缝金属在前进侧和后退侧的流动状态不同，即材料流场并非相对于焊缝对称。不同厚度下材料流场的试验与仿真结果对比如图2所示，从左至右依次为上表面、中部和下表面的材料流动情况。可以看出，不同厚度下的流场模拟结果均与试验结果吻合。

图2 不同厚度下的材料流动情况[3]

对于焊缝表面的塑性材料流动情况，Fourment等人[6]采用FORGE3软件分析了搅拌摩擦焊过程中飞边的形成过程。此后，Zhang等人[7]基于计算固体力学方法，采用DEFORM-3D软件研究了焊接过程中飞边及表面鱼鳞状纹理的形成过程，模拟结果与试验结果一致，如图3所示。研究表明，焊缝两侧均出现飞边，且后退侧的飞边数量多于前进侧；飞边的微观结构可分为两部分，一部分材料晶粒细小，发生了再结晶，另一部分材料与母材相似，无再结晶过程；焊缝表面材料的塑性变形分布不均匀，前进侧材料的塑性变形最大。

图3 焊缝表面塑性材料的流动情况[8]

一些学者对流场中材料的流动速度进行了系统研究。Zhang等人[8]基于率相关的材料本构建立了完全热力耦合仿真模型，研究焊接过程中材料流速的分布规律，结果表明焊缝上部材料的流动速度大于下部材料，后退侧材料的流动速度大于前进侧材料。Luo等人[9]建立的多物理场耦合模型分析结果表明，工艺参数对材料流速的影响很大。该研究考虑到工件与搅拌工具之间存在滑移，采用参数δ·Rω/vw来表征工艺参数对材料流速的影响，如图4和图5所示，其中δ为滑移率，Rω为转速，vw为焊接速度。可以看出，焊核区的流线以焊核为中心形成漩涡，δ·Rω/vw增大，流场速度增大，漩涡中心由椭圆变为圆形；轴肩影响区的最大速度出现在后退侧，外侧材料的流速大于中心的。此外，通过对比仿真分析与试验结果发现，工艺参数的大小与焊缝表面鱼鳞状纹理的形状存在一定关系。而对于异种材料焊接，有研究表明，除转速和焊接速度外，异种材料的位置也影响材料在三维空间的流速分布[10-11]。

图4 不同工艺参数下焊核区的流速迹线[9]

图5 不同工艺参数下轴肩影响区的流速迹线[9]

流场仿真技术作为材料流动可视化的重要方法，有助于深刻理解搅拌摩擦焊的焊缝成形过程，以及洋葱瓣花纹、飞边等特征的形成机理，从而为工艺参数的优化提供依据。

2 搅拌工具结构优化设计

搅拌工具的几何形貌和尺寸不仅影响焊接过程的热输入量，还与焊接过程中搅拌头附近塑性金属的流动形式有关。深入研究搅拌工具对材料流动的影响规律有助于优化搅拌工具结构。

Kishore等人[12]采用FLUENT软件建立了二维搅拌摩擦焊仿真模型，研究不同形状的搅拌针周围的流场分布，如图6所示。可以看出，不合理的搅拌针形状会产生不规则的流场，容易导致缺陷，但是该模型无法得到材料在厚度方向的流动情况。Jain等人[13]研究了搅拌针螺纹对材料三维流场的影响，发现螺纹的存在可以扩大搅拌区域，提高材料流动的速度，并使材料产生厚度方向的流动，而没有螺纹的搅拌针在厚度方向的材料流动很弱。姬书得等人[14]揭示了材料流动方向与螺纹旋向的关系，发现减小搅拌针锥角及螺纹槽距可以提高焊件内部材料的流动速度，避免产生根部缺陷。Fadi等人[15]发现，带有切面的搅拌针可以提高材料的流动速度，有利于减少孔洞缺陷。张利国等人[16]研究表明，轴肩结构对料流动趋势的影响较小，而对材料流动速度的影响明显。改变轴肩结构不仅影响焊件内部材料在水平方向的流动速度，对材料沿工件厚度方向的流动速度也有较大影响。当搅拌头的轴肩端面为同心圆时，可显著提高轴肩端面、焊件内部以及焊件底部的材料流动速度，避免根部缺陷的产生。

图6 不同的搅拌针形状产生的流场[12]

焊接学者们除了研究传统搅拌工具搅拌针和轴肩等结构特征外，对一些新型搅拌工具的流场仿真分析也逐步开展。双轴肩搅拌摩擦焊解决了传统搅拌摩擦焊对工装要求高且容易产生背面未焊透等问题，使焊接设备变得轻便，是空间制造领域的潜在技术[17]。胡晓晴[18]研究了双轴肩搅拌摩擦焊在水平方向上的材料流动行为，结果表明前进侧材料随着搅拌头的旋转前移，沉积在轴肩后方，而后退侧材料最终在前进侧后部停留，这与常规搅拌摩擦焊相似。王非凡[19]基于所建立的热力耦合模型研究了双轴肩搅拌摩擦焊三维流场，结果表明材料在空间的流动呈上下对称的沙漏形状，与文献[20]的试验结果一致，如图7和图8所示。由于轴肩的影响，金属在焊缝上下表面的材料流动速度最大，焊缝中部区域的材料流动速度较小，并且在前进侧搅拌针后方的工件中心存在流动弱区。

图7 双轴肩搅拌摩擦焊三维流场[19]

图8 双轴肩搅拌摩擦焊接头宏观形貌[20]

此外，传统搅拌摩擦焊无法发挥轴肩对于温度场和流场的有效调控，差速搅拌摩擦焊应运而生。石磊等人[21-22]研究了逆向差速搅拌摩擦焊过程中的材料流动规律，如图9a所示。可以看出，由于搅拌针和辅助轴肩转动方向相反，在该截面深度下存在两种不同方向的材料流动。在前进侧的塑性材料以顺时针方向转动，并且在辅助轴肩的作用下从前进侧流过，而后退侧的塑性材料则逆时针流动。材料在厚度方向的流动情况也不相同，距搅拌针底部越近，轴肩影响越小，材料流动速度越小。该研究对比了仿真与试验结果中热机影响区的形貌，两者的边界基本吻合，如图9b所示。当辅助轴肩转速为0时，即为静止轴肩搅拌摩擦焊，该焊接方法不会产生飞边及鱼鳞状表面，可得到表面光滑的焊缝。文献[23-24]对静止轴肩搅拌摩擦焊进行了试验研究，对其流场仿真的研究还未见相关报道。

现有研究主要侧重于结构特征的有无以及新结构形式的设计，还停留在定性分析阶段，而对于搅拌工具系列化、参数化的设计鲜有报道。因此，结合仿真技术及结构优化方法，定量化地研究搅拌工具结构将是搅拌工具研究的重要方向。

3 辅助能量影响规律分析

搅拌摩擦焊辅助能量类型可分为热能辅助（如激光、电弧感应、电流等）和机械能辅助（如超声振动等），辅助能量的施加可以改善材料的流动和产热[25]。借助仿真技术有助于深入理解辅助能量的作用机理，而如何在建模时准确地描述和施加辅助能量则是研究辅助能量对搅拌摩擦焊流场影响的关键。

图9 逆向差速搅拌摩擦焊流场仿真与试验结果对比[21]

针对激光辅助搅拌摩擦焊（LAESW），宋新华等人[26]将激光热源看作热流密度服从高斯分布的二维面热源处理，进行了Q235钢的三维流场分析，发现合适的激光热源能够软化搅拌头前进方向的工件材料而不会超过材料熔点，有助于提高材料的流动速度，减少搅拌针磨损。贺地求等人[27]基于计算流体力学和弹塑性力学理论，采用FLUENT软件研究了UAFSW的流场特性，并与常规搅拌摩擦焊方法进行对比。该研究将超声波的作用分解为惯性力对热输入的影响和超声声压场对流场的影响，实现了超声波与搅拌摩擦焊的结合。结果表明，超声波在塑性或熔融状态下的铝合金中传播时会产生声压差，声压差驱动材料流动，可提高塑性流动区的峰值流速，扩大塑性流动区域，如图10所示。声压大小与铝合金的温度相关，熔融状态下，声压驱动力最大，对材料流动性的提高也更加明显。

图10 UAFSW与FSW的流场对比[27]

4 结论

随着现代工业的发展，数值仿真技术的作用愈加重要，而搅拌摩擦焊流场仿真技术对于深入了解材料流动机理、优化工艺参数和搅拌工具结构具有重要的应用价值。但是，搅拌摩擦焊接过程非常复杂，包含传热、塑性变形、组织相变等过程。建立准确的仿真模型，从而推广到工程应用中，既需要深入研究焊接过程中材料属性、接触模型以及边界条件的定义，也需要将仿真分析与试验研究相结合来验证模型的正确性。流场仿真技术真正应用到工程实践将大幅度提高设计和生产效率，降低人力、物力和时间成本。