基于搅拌摩擦焊的AZ91镁合金修复的有限元仿真分析

摘要：AZ91镁合金应用广泛，但因其化学活性高，服役时表面易出现腐蚀坑，影响力学性能。传统表面修复方法有局限，搅拌摩擦焊作为固态连接技术，为其表面修复带来新途径。本文借助Deform数值模拟，深入探究基于搅拌摩擦焊AZ91镁合金表面修复过程。研究发现，搅拌头旋转速度与焊接速度的不同组合对温度场均匀性影响，旋转速度为1200 （r/min）和焊接速度为200 （mm/min）组合的温度标准差最小，均匀性最佳，二者对温度均匀性为综合作用。

关键词：AZ91镁合金；搅拌摩擦焊；Deform数值模拟；温度场

搅拌摩擦焊（ FSW），是一种创新型固相焊接技术[1]。与传统熔焊方法不同，FSW通过高速旋转的搅拌针及轴肩与工件接触摩擦产生热量，材料发生塑性流动并形成致密的“洋葱环”状焊缝结构[2]。AZ91镁合金铸造合金因其低密度、高比强度及优异的铸造性能，被广泛应用于轻量化结构领域。然而，AZ91合金在传统熔焊修复时易因镁的高活性产生气孔、热裂纹等缺陷近年来，基于FSW的固态修复技术为AZ91表面损伤修复提供了新思路。本研究基于deform软件，采用网格重划分的有限元方法[3]对AZ91镁合金表面孔缺陷进行模拟修复，从而得出修复的最佳工艺参数，

一、实验材料与方法

本研究采用AZ91镁合金，利用轧制加工成板材。并在中间位置进行钻孔来模拟现实缺陷情况，搅拌工具材料为H13钢，采用圆柱搅拌针。本试验采用的工艺参数见表1。由于流动搅拌摩擦焊与传统搅拌摩擦焊的原理相同，因此，当焊接修复工具保持不变，且轴向力条件维持恒定的时候，热输入唯一的影响因素便是热输入比值S/F[3]，故本研究将主要通过改变不同S/F来研究修复后板材的表面形貌。并在最佳修复工艺参数的基础上进一步研究AZ91镁合金的对应温度场和应力应变场。

二、有限元理论模型

1.网格划分

在搅拌摩擦焊（FSW）的数值模拟中，鉴于搅拌头强度较高，为简化分析，不考虑搅拌头材料属性，将其定义为刚体。针对搅拌头，设置网格划分数值为40000。对于工件，因其材料属性呈现塑性，采用四面体网格进行划分，网格划分数值确定为80000。考虑到模拟精度需求，对搅拌头周边区域（定义为圆柱形区域）进行网格细化，该区域随搅拌头移动而动态调整；同时对焊缝区域（定义为方形区域）进行网格细化。具体设置如图1所示。

2.材料属性

本研究采用建立Arrhenius本构模型[5]描述搅拌摩擦焊的塑性变形过程，用此方程来描述流变应力σ、应变速率 、变形温度T之间的关系（表2）。

3.相互作用及边界条件

本研究基于通用接触算法建立焊接过程的相互作用模型，主要涉及接触力学与热力耦合参数的设定。本研究借助通用接触算法构建焊接过程相互作用模型，重点设定接触力学与热力耦合参数。接触属性定义方面，切向用基于罚函数的库仑摩擦模型，经数值试验确定摩擦系数 0.4；法向采用硬接触约束。热力耦合分析中，对三种传热机制区别处理：工件搅拌针接触区用完全热传导模型，热传递系数设20000W/（m²·K）；工件底面与工作台界面，将传导、对流、辐射耦合简化为总换热系数1000W/（m²·K）；工件自由表面与空气换热，确定等效换热系数30W/（m²·K） 。边界条件：因为在实际的FSW生产过程中，被焊工件是被夹具固定住的，所以在Deform-3D中，将被修复工件的四个侧面和底面的自由度进行固定约束。

三、结果与讨论

温度场分布均匀性有助于材料均匀塑性变形，是影响缺陷修复平面平整性的重要因素，故于Deform - 3D数值模拟环境下，对照不同的热输入参数在稳定焊接区域内温度偏差曲线，来比较温度分布均匀性，并通过四种参数的温度标准差定量地判断温度均匀性。在焊接区域取三个温度测量点，通过提取关键时间点的温度数据代入公式4-1和公式4-2得出四组工艺参数对应的温度标准差，并进行分析比较，得出结论。

由表3发现搅拌头旋转速度和焊接速度的不同组合，对应着不同的温度标准差。当S=1200（r/min），F=200（mm/min）时温度标准差最小，说明该组合下温度场相对更均匀。随着旋转速度和焊接速度的增大，标准差逐渐减小，温度场均匀性变好；但当旋转速度升至1700（r/min）、焊接速度240（r/min）时，标准差增大，温度场均匀性变差。从温度均匀性角度分析得在S=1200 （r/min）和F=200 （mm/min）组合下材料流动均匀，更利于修复。

四、结论

在修复过程中，搅拌头旋转速度与焊接速度的不同参数组合，对温度场均匀性存在影响，这种影响可通过温度标准差定量表示。研究数据表明，在这四种参数组合中，1200 （r/min） 的搅拌头旋转速度与200 （mm/min）的焊接速度所构成的组合，其温度标准差最小，对应的温度场均匀性相对最佳。同时，旋转速度与焊接速度并非单调的影响温度均匀性，而是综合作用，因此在实际应用中，需对二者进行合理匹配，方能优化焊接修复。

参考文献：

[1]吕舒婷，吴盟，周贺，等.铝合金搅拌摩擦焊发展现状[J].科技与创新，2023（13）：102-104.

[2]刘澳，曹岳，华鹏，等.基于CEL模型的AZ91D镁合金搅拌摩擦焊材料流动行为数值模拟[J].焊管，2024，7（11）：39-45.

[3]刘亚凡.ZM5镁合金搅拌摩擦焊及其修复工艺研究[D].山东理工大学，2023.

【作者简介】刘振洋（2005.06-），男，汉族，山东省菏泽市人，哈尔滨理工大学荣成学院本科在读，主要研究方向：材料成型及控制工程。