搅拌针偏移量影响铝镁异质金属搅拌摩擦焊材料流动的数值模拟

本文采用耦合的欧拉–拉格朗日方法，构建了添加中间金属的铝镁异质合金搅拌摩擦焊的数值分析模型。针对两种不同配置进行了研究：一种是搅拌头轴线与焊缝中心线重合(配置1)，另一种是搅拌头轴线向铝合金偏置1 mm (配置2)。研究结果显示，配置1的材料流动更为充分。在前进侧，铝合金主要从搅拌头前方水平流动至后退侧；而在后退侧，一部分镁合金从搅拌头后方水平流动至前进侧，另一部分则从搅拌头后方向板厚底部流动，随后在螺纹搅拌针的作用下继续向板厚上方流动。根据材料流动范围，可将接头横截面划分为轴肩影响区和搅拌针影响区。中间金属的流动分为3个区域。配置2在轴肩影响区和搅拌针影响区的铝/镁截面都更为光滑和规则。由于材料流动的不充分，所以配置2在接头内部形成了“隧道”缺陷。

铝合金和镁合金由于具有密度低、比强度和比刚度高等优点，已被广泛应用于汽车、交通、航空航天等领域[1]。

为进一步解决轻量化问题， 铝/镁复合结构的连接问题受到广泛关注[2]。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)作为一种先进的固相连接技术，具有焊接热输入低、接头变形小等优点，已发展为铝合金等轻合金重要的连接方法之一[3]。

但是，由于铝合金和镁合金在晶体结构和物化性能上的巨大差异，焊接形成铝/镁异质合金接头面临诸多挑战[4]。这其中，界面处连续分布的Al-Mg 脆性金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)对接头性能影响最为显著。为抑制Al-Mg 脆性IMCs 的形成，研究人员通过试验发现，相比于减少Al/Mg 界面在高温下停留的时间[5] [6]和外加辅助能量[7]，添加中间金属[8] [9]对抑制Al-Mg 脆性IMCs 的作用更为显著。

在FSW 过程中，金属材料的流动行与Al/Mg 脆性IMCs 的形成、分布、大小密切相关[10]。但是由于FSW 过程的复杂性，现阶段仍无法实现通过试验手段直接观察材料流动和温度分布[11]。而数值模拟的方法在节省试验花费的同时，可以对FSW 过程中的温度分布和材料流动进行直观的、定量的分析。对于FSW 的数值模拟，目前主要有计算固体力学方法(Computational Solid Mechanics, CSM)，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)、任意的拉格朗日–欧拉方法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)和耦合的欧拉–拉格朗日方法(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)等[12]。

综上，本文拟采用耦合的欧拉–拉格朗日方法(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)，以7075 铝合金和Open Access