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搅拌头(焊具)是搅拌摩擦焊接(FSW)设备中最重要的部件之一,直接决定着焊接过程中的产热和材料流动,并最终影响焊缝微观组织和接头力学性能。通过优化焊具几何形状来提高焊接效率和焊接质量是目前对原有工艺改动最小、成本最低、且效果显著的一种策略。然而,搅拌针几何形状的设计和加工制造目前仍依赖于试错法,复杂形状搅拌针对焊接过程中产热传热和材料流动的作用机理还有待进一步探究。在本研究中,我们在工艺试验的基础上,对构成复杂形状搅拌针的两种基本几何特征(螺纹和平面)建立三维计算流体力学(CFD)模型,定量研究了 9种典型几何形状的搅拌针对FSW焊接热过程和材料流动的影响机理。首先选取带UP(无螺纹锥形搅拌针)、TP(锥形+右旋螺纹搅拌针)和LTP(锥形+左旋螺纹搅拌针)三种搅拌针的搅拌头,开展了 6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接工艺试验研究。拉伸试验结果表明,使用TP搅拌针可以有效提高焊接接头的抗拉强度和断后延伸率;在低热输入的焊接参数条件下螺纹的作用效果尤为显著。通过搅拌头急停将标记材料在匙孔周围的分布“冷冻”下来,借助CT技术对标记材料的分布进行了三维重建。结果表明,螺纹可以有效提高标记材料分布的均匀性,以及标记材料在焊核区水平截面上的分布宽度,对避免或减小焊接缺陷有非常重要的作用。根据搅拌摩擦焊接过程计算固体力学模型和计算流体力学模型的研究结果,提出了基于计算流体力学的力驱动界面速度模型。保留螺纹的螺旋特性,将螺纹对工件材料的作用效果等效到搅拌针侧面,同时将搅拌针侧面划分成螺纹区域和圆弧区域,分别施加不同的速度边界条件和热边界条件,建立了搅拌针带螺纹时FSW的CFD模型。定量分析了螺纹的三个主要参数(螺距、旋向和头数)对FSW焊接过程中材料流动和产热的作用规律。数值模拟结果显示,螺纹可以有效地提高焊核中下部区域的材料流动速度,促进材料在工件厚度方向上的混合,减弱或避免前进侧由于材料在水平方向上的流动方向变化而产生的速度突变。在搅拌针长度一定的情况下,螺距的增大可以提高搅拌针周围的材料流动速度峰值,但是维持较高流速的时间缩短;由于螺纹所占面积的减小,材料在竖直方向上的混合程度减弱。当搅拌头逆时针旋转时,螺纹旋向的改变使搅拌针周围的材料流动方向发生了改变,右旋螺纹搅拌针更有利于材料沿搅拌头轴线向下流动。多头螺纹搅拌针可以有效提高焊核中下部区域的材料流动,随着螺纹头数的增加,接触界面产热和剪切层内的粘性耗散产热都有所提高,既保留了大螺距带来的材料高流速、又避免了螺纹所占面积的减小。分析了搅拌针侧面平面特征对工件材料的驱动作用,同时考虑平面特征和螺纹特征,建立了“平面+螺纹”搅拌针FSW过程的CFD数值分析模型。计算结果表明,搅拌针侧面加入平面特征,可显著提高发生塑性变形材料的体积,尤其是在焊核区下部区域;螺纹的主要作用在于促进材料在竖直方向上的迁移。根据焊接热循环、热力影响区边界和标记材料流动的试验结果,对所建模型进行了实验验证。