基于多物理場耦合的7075鋁合金摩擦疊焊單元成形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，材料的性能與連接技術(shù)的優(yōu)劣對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著關(guān)鍵作用。7075鋁合金作為Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，憑借其高強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)良的加工性能以及較高的強(qiáng)度-密度比，在眾多領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)燃油箱等關(guān)鍵部件常采用7075鋁合金制造，以滿足飛行器對材料輕質(zhì)高強(qiáng)的嚴(yán)苛要求，例如C919飛機(jī)的多個(gè)重要部件均使用了不同的7075合金材料，為飛機(jī)的安全飛行和高性能運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。在汽車制造領(lǐng)域，7075鋁合金被用于制造車架和車輪等零部件，有助于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，進(jìn)而提升汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性能。隨著科技的不斷進(jìn)步，對7075鋁合金的應(yīng)用需求持續(xù)增長，對其連接技術(shù)的研究也愈發(fā)重要。焊接作為一種重要的材料連接方法，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的熔焊方法在焊接7075鋁合金時(shí)存在諸多問題。由于鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的高熔點(diǎn)氧化膜（Al?O?）不僅穩(wěn)定且吸潮，難以去除，容易導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生氣孔、夾雜、未熔合、未焊透等缺陷；鋁的比熱容、導(dǎo)電率、熱導(dǎo)率比鋼大，焊接時(shí)熱輸入迅速流失，需要采用高度集中的熱源；鋁的線膨脹系數(shù)比鋼大，焊接時(shí)焊件變形趨勢較大，需要采取預(yù)防措施；此外，鋁對光、熱的反射能力較強(qiáng)，熔化前無明顯色澤變化，給人工熔焊操作和釬焊操作帶來困難。因此，開發(fā)適用于7075鋁合金的新型焊接技術(shù)迫在眉睫。摩擦疊焊技術(shù)作為一種新型的固相連接技術(shù)，自問世以來便受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代末期，最初是為解決海底管道焊縫裂紋修復(fù)問題。其基本原理是將一系列錐形螺柱塞入相應(yīng)的錐形預(yù)鉆焊孔中，通過摩擦產(chǎn)生的熱量使金屬柱銷和母材發(fā)生塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的連接。與傳統(tǒng)焊接方法相比，摩擦疊焊具有顯著優(yōu)勢。它無需添加焊接材料，避免了因焊接材料與母材不匹配而產(chǎn)生的問題；焊接過程中不產(chǎn)生熔池，不存在傳統(tǒng)熔焊中的氣孔、裂紋等缺陷；能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度材料的焊接，對于壁厚較大的結(jié)構(gòu)件修復(fù)具有獨(dú)特優(yōu)勢；此外，該技術(shù)還具有焊接效率高、熱影響區(qū)小、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢使得摩擦疊焊技術(shù)在海洋工程、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)大的研究工具，在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在摩擦疊焊研究中，數(shù)值模擬能夠深入揭示焊接過程中的物理現(xiàn)象，如溫度場分布、應(yīng)力應(yīng)變分布等。通過建立合理的數(shù)值模型，可以模擬不同焊接參數(shù)下的焊接過程，預(yù)測焊接接頭的質(zhì)量和性能。這不僅有助于優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高焊接質(zhì)量和效率，還能減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低研究成本和時(shí)間。例如，通過數(shù)值模擬可以研究焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、軸向壓力等參數(shù)對焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的影響，從而確定最佳的焊接工藝參數(shù)組合。此外，數(shù)值模擬還可以對焊接過程中的缺陷形成機(jī)制進(jìn)行研究，為缺陷的預(yù)防和控制提供理論依據(jù)。因此，開展7075鋁合金摩擦疊焊單元成形過程的數(shù)值模擬研究具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，7075鋁合金摩擦疊焊單元成形數(shù)值模擬的研究起步較早，已取得了一系列重要成果。美國的一些研究團(tuán)隊(duì)通過建立三維熱力耦合有限元模型，對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的溫度場進(jìn)行了深入模擬分析。研究結(jié)果表明，焊接過程中的溫度分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，在攪拌頭附近區(qū)域溫度較高，而遠(yuǎn)離攪拌頭的區(qū)域溫度較低。通過改變焊接參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，可以有效地調(diào)整溫度場的分布，進(jìn)而影響焊接接頭的質(zhì)量。此外，他們還研究了溫度場對材料微觀組織演變的影響，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域的材料晶粒會發(fā)生明顯的長大和再結(jié)晶現(xiàn)象。英國的學(xué)者則致力于研究7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。通過數(shù)值模擬，他們揭示了焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的產(chǎn)生機(jī)制和變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，在焊接初期，由于攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)和軸向壓力的作用，材料會產(chǎn)生較大的塑性變形，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。隨著焊接過程的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸分布均勻，但在焊接接頭的熱影響區(qū)仍存在一定的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可能會對焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，如降低接頭的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性。為了降低殘余應(yīng)力，他們提出了一些有效的工藝改進(jìn)措施，如優(yōu)化焊接參數(shù)、采用合適的冷卻方式等。在國內(nèi)，7075鋁合金摩擦疊焊單元成形數(shù)值模擬的研究也在逐步開展，并取得了一定的進(jìn)展。一些科研機(jī)構(gòu)和高校利用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件，對7075鋁合金摩擦疊焊過程進(jìn)行了多物理場耦合模擬。通過模擬，不僅分析了溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場的分布情況，還研究了材料流動(dòng)行為和焊接缺陷的形成機(jī)制。例如，研究發(fā)現(xiàn)材料在焊接過程中的流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的漩渦狀，這種流動(dòng)模式對焊接接頭的質(zhì)量有著重要影響。此外，通過模擬不同焊接參數(shù)下的焊接過程，還總結(jié)出了一些優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的方法，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。近年來，國內(nèi)的研究趨勢逐漸向多學(xué)科交叉和微觀尺度研究方向發(fā)展。一方面，結(jié)合材料科學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)等多學(xué)科知識，深入探究摩擦疊焊過程中的物理現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)制。另一方面，利用微觀力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，從微觀尺度研究材料的變形行為和原子擴(kuò)散規(guī)律，為進(jìn)一步提高焊接接頭的性能提供理論支持。例如，通過微觀力學(xué)模型研究材料在焊接過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界行為，揭示了材料強(qiáng)化和軟化的微觀機(jī)制。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究原子在焊接界面的擴(kuò)散和結(jié)合過程，為優(yōu)化焊接工藝提供了微觀層面的依據(jù)。盡管國內(nèi)外在7075鋁合金摩擦疊焊單元成形數(shù)值模擬方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。例如，現(xiàn)有模型對材料的本構(gòu)關(guān)系描述還不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。此外，對于焊接過程中的一些復(fù)雜現(xiàn)象，如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、熱疲勞等，還缺乏深入的研究和準(zhǔn)確的模擬方法。因此，未來的研究需要進(jìn)一步完善數(shù)值模型，提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)加強(qiáng)對復(fù)雜現(xiàn)象的研究，為7075鋁合金摩擦疊焊技術(shù)的發(fā)展提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.3研究內(nèi)容與方法本研究擬采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，深入探究7075鋁合金摩擦疊焊單元成形過程。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用ANSYS等專業(yè)有限元軟件，建立7075鋁合金摩擦疊焊的三維熱力耦合模型。該模型將充分考慮材料的非線性特性、接觸摩擦行為以及熱傳遞過程，通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式，精確模擬焊接過程中的物理現(xiàn)象。例如，在模擬溫度場時(shí)，考慮材料的熱傳導(dǎo)、對流和輻射等傳熱方式，以及焊接過程中摩擦生熱和塑性變形生熱的影響；在模擬應(yīng)力應(yīng)變場時(shí)，考慮材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系和大變形理論，準(zhǔn)確描述材料在焊接過程中的力學(xué)行為。通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析焊接過程中的溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場分布規(guī)律，以及材料的流動(dòng)行為，揭示摩擦疊焊單元成形的內(nèi)在機(jī)制。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。選用合適規(guī)格的7075鋁合金板材作為實(shí)驗(yàn)材料，利用自主設(shè)計(jì)的摩擦疊焊實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸向壓力等，并采用熱電偶、紅外測溫儀等設(shè)備實(shí)時(shí)測量焊接過程中的溫度變化。同時(shí)，利用應(yīng)變片、引伸計(jì)等儀器測量焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變情況。焊接完成后，對焊接接頭進(jìn)行金相分析、硬度測試、拉伸試驗(yàn)等，以評估焊接接頭的質(zhì)量和性能。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。本研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：一是建立7075鋁合金摩擦疊焊單元成形的數(shù)值模型，對模型的合理性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證；二是通過數(shù)值模擬，研究不同焊接參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸向壓力等）對焊接溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場和材料流動(dòng)行為的影響規(guī)律，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)；三是開展實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，探究焊接參數(shù)與接頭性能之間的關(guān)系；四是基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，揭示7075鋁合金摩擦疊焊單元成形的機(jī)制，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、7075鋁合金摩擦疊焊技術(shù)原理與特點(diǎn)2.17075鋁合金特性7075鋁合金作為一種Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，其化學(xué)成分主要包括鋁（Al）、鋅（Zn）、鎂（Mg）、銅（Cu）等元素，各元素的含量對其性能有著至關(guān)重要的影響。其中，鋅是主要的合金元素，含量通常在5.1%-6.1%之間。鋅的加入能夠顯著提高鋁合金的強(qiáng)度，通過形成強(qiáng)化相MgZn?，使合金在熱處理后獲得良好的強(qiáng)化效果，這是7075鋁合金具有高強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。鎂的含量一般在2.1%-2.9%，它與鋅共同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了強(qiáng)化相MgZn?的形成，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，鎂還能細(xì)化晶粒，改善合金的塑性和韌性。銅的含量約為1.2%-2.0%，銅的加入不僅能提高合金的強(qiáng)度和硬度，還能改善其耐腐蝕性。此外，7075鋁合金中還含有少量的錳（Mn）、鉻（Cr）、鈦（Ti）等元素，這些微量元素雖然含量較少，但對合金的性能也有著不可忽視的作用。例如，錳可以提高合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性，鉻能提高合金的淬透性和耐蝕性，鈦則有助于細(xì)化晶粒，提高合金的韌性。在力學(xué)性能方面，7075鋁合金具有出色的表現(xiàn)。其抗拉強(qiáng)度可達(dá)524MPa以上，是普通鋁合金的兩倍以上，這使得它能夠在承受高強(qiáng)度應(yīng)力的環(huán)境中保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件需要承受巨大的載荷，7075鋁合金的高強(qiáng)度特性使其能夠勝任這些關(guān)鍵部位的制造，確保飛機(jī)在飛行過程中的安全性和可靠性。屈服強(qiáng)度也較高，通常在455MPa左右，這表明該合金在受到外力作用時(shí)具有較強(qiáng)的抵抗變形的能力。當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到氣流沖擊等外力時(shí)，7075鋁合金制成的結(jié)構(gòu)部件能夠有效地抵抗變形，保障飛機(jī)的正常飛行。此外，7075鋁合金還具有良好的抗疲勞性能，能夠在反復(fù)加載和卸載的條件下長期穩(wěn)定工作。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞、連桿等部件中，7075鋁合金的抗疲勞性能使其能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)長期的高速運(yùn)轉(zhuǎn)和頻繁的沖擊載荷，延長部件的使用壽命。7075鋁合金的物理性能同樣值得關(guān)注。其密度約為2.8g/cm3，相對較低，這使得它在需要輕量化的領(lǐng)域，如航空航天和汽車制造等，具有明顯的優(yōu)勢。在航空領(lǐng)域，減輕飛機(jī)的重量可以降低燃油消耗，提高飛行效率，7075鋁合金的低密度特性正好滿足了這一需求。同時(shí)，它具有較好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)約為130-150W/（m?K），有助于快速分散熱量，提高設(shè)備的工作效率。在電子設(shè)備的散熱部件中，7075鋁合金的良好導(dǎo)熱性能可以有效地將電子元件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。7075鋁合金的電導(dǎo)率適中，能夠滿足一般電氣設(shè)備的使用要求。在加工性能方面，7075鋁合金具有良好的可加工性，可以通過鍛造、擠壓、拉伸、切削等多種方式進(jìn)行加工成型。在制造飛機(jī)零部件時(shí)，可以通過鍛造工藝將7075鋁合金加工成各種復(fù)雜形狀的部件，滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。然而，在加工過程中需要注意控制適當(dāng)?shù)臏囟群退俣龋员苊猱a(chǎn)生裂紋、變形等缺陷。例如，在切削加工時(shí)，如果切削速度過快或切削溫度過高，可能會導(dǎo)致鋁合金表面出現(xiàn)裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。7075鋁合金還具有良好的焊接性能，便于在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)部件的連接。但由于其合金成分的特殊性，在焊接過程中容易出現(xiàn)一些問題，如熱裂紋、氣孔等，需要采取相應(yīng)的焊接工藝措施來保證焊接質(zhì)量。7075鋁合金的耐腐蝕性相對較好，在一般環(huán)境條件下能夠保持良好的性能。然而，在特殊環(huán)境如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣條件下，其耐腐蝕性可能會受到影響。在海洋環(huán)境中，7075鋁合金制成的船舶零部件容易受到海水的侵蝕，需要采取涂層、陽極氧化等防護(hù)措施來提高其耐腐蝕性能。2.2摩擦疊焊單元成形原理摩擦疊焊單元成形過程是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到摩擦生熱、材料塑性變形以及界面結(jié)合等多個(gè)關(guān)鍵步驟。其原理基于摩擦焊接技術(shù)，通過特殊的工藝手段實(shí)現(xiàn)材料的連接。在摩擦疊焊過程中，首先需要在待焊接的7075鋁合金母材上預(yù)鉆特定尺寸的孔，這一孔的尺寸對于后續(xù)焊接質(zhì)量有著重要影響。以常見的工藝參數(shù)為例，通常預(yù)鉆孔的直徑在9-17mm之間。同時(shí)，準(zhǔn)備一個(gè)直徑略小于預(yù)鉆孔的金屬柱銷，該柱銷一般采用與母材相同或相近成分的7075鋁合金材料制成。將金屬柱銷高速旋轉(zhuǎn)并插入預(yù)鉆孔中，在插入過程中，對金屬柱銷施加一定的軸向力，并保持穩(wěn)定的進(jìn)給速度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的金屬柱銷與焊孔底部接觸時(shí)，摩擦生熱過程正式開始。由于金屬柱銷與焊孔壁之間的高速相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的摩擦作用。根據(jù)摩擦生熱原理，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使得接觸區(qū)域的溫度迅速升高。在這一過程中，摩擦系數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和軸向壓力等因素對生熱速率和溫度分布有著顯著影響。較高的旋轉(zhuǎn)速度和較大的軸向壓力會增加摩擦生熱，從而使接觸區(qū)域的溫度更快地升高。研究表明，在特定的焊接參數(shù)下，摩擦接觸區(qū)域的溫度可在短時(shí)間內(nèi)升高至7075鋁合金的熱塑性變形溫度范圍。隨著溫度的升高，金屬柱銷和焊孔周圍的母材材料進(jìn)入塑性變形階段。7075鋁合金在熱塑性狀態(tài)下，其變形抗力降低，塑性增強(qiáng)，便于材料的流動(dòng)和重新分布。在軸向壓力的作用下，塑性化的金屬材料開始從焊孔底部向上填充，同時(shí)將焊孔內(nèi)的雜質(zhì)和空氣排出。這一過程類似于材料的塑性擠出，使得塑性化金屬材料與焊孔內(nèi)表面之間達(dá)到緊密接觸。在塑性變形過程中，材料的流動(dòng)行為呈現(xiàn)出復(fù)雜的模式。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，材料在焊孔內(nèi)呈現(xiàn)出螺旋狀或漩渦狀的流動(dòng)軌跡。這種流動(dòng)模式有助于材料之間的充分混合和緊密結(jié)合，同時(shí)也影響著焊接接頭的微觀組織和性能。隨著塑性化金屬材料不斷填充焊孔，摩擦接觸剪切界面逐漸從焊孔底部上移。當(dāng)金屬柱銷完全插入焊孔并達(dá)到一定的填充程度后，停止旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給。此時(shí)，在壓力的持續(xù)作用下，塑性化金屬材料與母材之間通過原子擴(kuò)散和再結(jié)晶等微觀機(jī)制實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合。原子擴(kuò)散使得兩種材料的原子相互滲透，形成過渡層，增強(qiáng)了界面的結(jié)合強(qiáng)度。再結(jié)晶過程則使焊接接頭的微觀組織得到改善，消除了部分加工硬化現(xiàn)象，提高了接頭的力學(xué)性能。整個(gè)摩擦疊焊單元成形過程所需時(shí)間根據(jù)材料厚度和焊接參數(shù)的不同而有所差異，一般單個(gè)孔洞填充過程耗時(shí)5-10s。2.3摩擦疊焊技術(shù)特點(diǎn)摩擦疊焊作為一種新型的固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接方法相比，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)也存在一定的局限性。在焊接質(zhì)量方面，摩擦疊焊具有顯著優(yōu)勢。由于焊接過程是在固相狀態(tài)下進(jìn)行，不產(chǎn)生熔池，從而有效避免了傳統(tǒng)熔焊方法中常見的氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。這使得摩擦疊焊接頭的質(zhì)量更加可靠，性能更加穩(wěn)定。例如，在焊接7075鋁合金時(shí)，傳統(tǒng)熔焊方法容易因鋁合金的氧化和吸氣特性產(chǎn)生氣孔和裂紋，而摩擦疊焊則可避免這些問題，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。摩擦疊焊過程中，金屬材料在熱塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連接，接頭處的微觀組織更加均勻，晶粒細(xì)化，從而提高了接頭的強(qiáng)度和韌性。研究表明，摩擦疊焊接頭的強(qiáng)度可以達(dá)到母材的80%-90%以上，在一些對強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件連接中具有重要應(yīng)用價(jià)值。從焊接效率來看，摩擦疊焊也表現(xiàn)出色。該技術(shù)的焊接速度相對較快，一般單個(gè)孔洞填充過程僅需5-10s，這使得它在大規(guī)模生產(chǎn)中具有明顯的優(yōu)勢。以海洋管道修復(fù)為例，采用摩擦疊焊技術(shù)可以快速修復(fù)管道裂紋，減少管道停工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。此外，摩擦疊焊設(shè)備操作相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以精確控制焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的一致性。在成本方面，摩擦疊焊具有一定的成本優(yōu)勢。它無需添加焊接材料，如焊絲、焊條等，降低了材料成本。焊接過程中不需要使用保護(hù)氣體，減少了氣體消耗和相關(guān)設(shè)備的投入。摩擦疊焊設(shè)備的能耗相對較低，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊相比，摩擦疊焊的能耗可降低30%-50%。然而，摩擦疊焊技術(shù)也存在一些不足之處。由于摩擦疊焊需要對母材進(jìn)行預(yù)鉆孔，這增加了焊接前的準(zhǔn)備工作和加工成本。對于一些形狀復(fù)雜或尺寸精度要求高的工件，預(yù)鉆孔的難度較大，可能影響焊接質(zhì)量和效率。摩擦疊焊對設(shè)備的要求較高，設(shè)備價(jià)格相對昂貴，初期投資較大。這在一定程度上限制了該技術(shù)在一些小型企業(yè)或?qū)Τ杀久舾械捻?xiàng)目中的應(yīng)用。此外，摩擦疊焊技術(shù)目前還存在一些技術(shù)瓶頸，如焊接過程中的溫度控制和質(zhì)量檢測等方面還需要進(jìn)一步完善。在焊接大厚度材料時(shí)，如何保證焊接接頭的均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性仍是一個(gè)有待解決的問題。三、數(shù)值模擬方法與模型建立3.1有限元方法基礎(chǔ)有限元方法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）是一種高效的數(shù)值分析方法，在工程和科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其是在焊接數(shù)值模擬方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)相互連接的單元，這些單元通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互作用。在每個(gè)單元內(nèi)，通過設(shè)定合適的近似函數(shù)來逼近真實(shí)的物理場分布。例如，在結(jié)構(gòu)力學(xué)問題中，通常假設(shè)單元內(nèi)的位移分布為簡單的線性函數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)。通過這種離散化處理，將原本復(fù)雜的連續(xù)體問題轉(zhuǎn)化為求解有限個(gè)單元節(jié)點(diǎn)未知量的代數(shù)方程組。在求解過程中，首先建立單元的剛度矩陣，它反映了單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。以二維平面問題為例，單元?jiǎng)偠染仃囀且粋€(gè)與單元形狀、材料屬性以及節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)的矩陣。然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的平衡條件和邊界條件，將各個(gè)單元的剛度矩陣組集成整體剛度矩陣，從而建立起整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元方程。這個(gè)方程通?？梢员硎緸镵q=f，其中K是整體剛度矩陣，q是節(jié)點(diǎn)位移列陣，f是載荷列陣。通過求解這個(gè)方程組，就可以得到節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算出單元的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。在焊接數(shù)值模擬中，有限元方法具有諸多顯著優(yōu)勢。它能夠精確模擬焊接過程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場的分布和變化。在溫度場模擬方面，考慮到焊接過程中涉及到多種傳熱方式，包括熱傳導(dǎo)、對流和輻射。有限元方法可以通過建立相應(yīng)的熱傳遞方程，并結(jié)合材料的熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，準(zhǔn)確地計(jì)算出焊件在不同時(shí)刻的溫度分布。通過模擬溫度場，可以了解焊接過程中熱量的傳遞路徑和分布情況，為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供重要依據(jù)。例如，通過分析溫度場分布，可以確定合適的焊接速度和焊接電流，以避免出現(xiàn)過熱或過冷區(qū)域，從而提高焊接質(zhì)量。對于應(yīng)力應(yīng)變場的模擬，有限元方法考慮到材料在焊接過程中的非線性力學(xué)行為，包括材料的彈塑性變形、熱膨脹等因素。在焊接過程中，由于溫度的不均勻分布，材料會產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。當(dāng)溫度超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會發(fā)生塑性變形。有限元方法可以通過選擇合適的本構(gòu)模型，如雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）等，來準(zhǔn)確描述材料的這種非線性力學(xué)行為。通過模擬應(yīng)力應(yīng)變場，可以預(yù)測焊接接頭的殘余應(yīng)力和變形，為評估焊接接頭的質(zhì)量和性能提供重要參考。例如，通過分析殘余應(yīng)力的分布情況，可以采取相應(yīng)的工藝措施，如焊后熱處理等，來降低殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。有限元方法還可以靈活處理各種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在焊接結(jié)構(gòu)中，焊件的形狀往往非常復(fù)雜，而且焊接過程中存在多種邊界條件，如熱邊界條件、力學(xué)邊界條件等。有限元方法可以通過對幾何模型進(jìn)行合理的離散化處理，以及準(zhǔn)確地施加邊界條件，來滿足實(shí)際工程的需求。對于具有復(fù)雜形狀的焊件，可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，根據(jù)模型的幾何特征和物理場的變化情況，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度，以提高計(jì)算精度和效率。在處理邊界條件時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況，如焊件與周圍環(huán)境的熱交換、焊件的約束條件等，準(zhǔn)確地施加相應(yīng)的邊界條件，從而使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況。目前，用于焊接數(shù)值模擬的有限元軟件眾多，其中一些常用的軟件包括ANSYS、ABAQUS、SYSWELD等。ANSYS軟件功能強(qiáng)大，具有豐富的單元庫和材料模型，能夠模擬多種物理場的耦合問題。在焊接模擬中，它可以通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，同時(shí)考慮焊接過程中的溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的相互作用。ABAQUS軟件則以其強(qiáng)大的非線性分析能力而著稱，在處理材料的非線性行為和復(fù)雜的接觸問題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在焊接模擬中，它可以準(zhǔn)確地模擬焊接過程中材料的大變形和接觸摩擦等現(xiàn)象。SYSWELD是一款專門用于焊接模擬的軟件，它集成了焊接過程中的多種物理現(xiàn)象，如熱傳導(dǎo)、冶金相變、力學(xué)變形等，能夠提供全面的焊接模擬解決方案。該軟件還具有豐富的焊接工藝參數(shù)庫和材料數(shù)據(jù)庫，方便用戶進(jìn)行焊接工藝的優(yōu)化和分析。這些軟件各自具有特點(diǎn)和優(yōu)勢，用戶可以根據(jù)具體的研究需求和問題特點(diǎn)選擇合適的軟件進(jìn)行焊接數(shù)值模擬研究。3.2傳熱學(xué)原理在焊接模擬中的應(yīng)用在7075鋁合金摩擦疊焊過程中，涉及多種復(fù)雜的傳熱方式，這些傳熱方式相互作用，共同影響著焊接過程中的溫度分布和變化，進(jìn)而對焊接接頭的質(zhì)量和性能產(chǎn)生重要影響。熱傳導(dǎo)是焊接過程中最為主要的傳熱方式之一，它在金屬內(nèi)部的熱量傳遞中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)過程中單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量與溫度梯度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=-λ\frac{\partialT}{\partialn}，其中q表示熱流密度（W/m2），λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m?K）），\frac{\partialT}{\partialn}是溫度梯度（K/m）。負(fù)號表示熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反，即熱量總是從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。在7075鋁合金摩擦疊焊中，當(dāng)金屬柱銷與母材相互摩擦產(chǎn)生熱量后，熱量會通過熱傳導(dǎo)在金屬柱銷和母材內(nèi)部進(jìn)行傳遞。由于7075鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)在室溫下約為130-150W/（m?K），這使得熱量能夠在材料內(nèi)部迅速擴(kuò)散。例如，在焊接初期，摩擦生熱區(qū)域的溫度急劇升高，通過熱傳導(dǎo)，熱量會逐漸向周圍較低溫度的區(qū)域傳遞，導(dǎo)致周圍區(qū)域的溫度也隨之升高。熱傳導(dǎo)的速率和效果與材料的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，相同條件下熱量傳遞的速度就越快。在模擬熱傳導(dǎo)過程時(shí)，需要準(zhǔn)確考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況。研究表明，7075鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)會隨著溫度的升高而發(fā)生一定的變化。在較低溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)變化相對較小，但當(dāng)溫度接近鋁合金的熔點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)會有較為明顯的變化。在數(shù)值模擬中，通常采用溫度相關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)模型來準(zhǔn)確描述這一特性，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。熱對流也是焊接過程中不可忽視的傳熱方式，它主要發(fā)生在焊件與周圍環(huán)境之間。熱對流可分為自然對流和強(qiáng)制對流兩種類型。自然對流是由于焊件表面與周圍環(huán)境存在溫度差，導(dǎo)致空氣或其他流體的密度不均勻，從而引起流體的自然流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。在摩擦疊焊過程中，當(dāng)焊件表面溫度較高時(shí)，周圍空氣被加熱，密度減小，從而向上流動(dòng)，較冷空氣則會補(bǔ)充過來，形成自然對流。這種自然對流雖然對熱量傳遞的貢獻(xiàn)相對較小，但在長時(shí)間的焊接過程中，其累積效應(yīng)也不容忽視。強(qiáng)制對流則是通過外部施加的作用力，如風(fēng)扇、冷卻水流等，使流體產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)，從而加快熱量的傳遞。在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，為了控制焊接溫度，常常采用強(qiáng)制對流的方式進(jìn)行冷卻。例如，在焊接7075鋁合金時(shí)，可使用風(fēng)冷或水冷裝置對焊件進(jìn)行冷卻，通過強(qiáng)制對流，能夠快速帶走焊件表面的熱量，降低焊件的溫度。熱對流的強(qiáng)度通常用對流傳熱系數(shù)h來表示，它與流體的性質(zhì)、流速、焊件表面的形狀和粗糙度等因素有關(guān)。在數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確確定對流傳熱系數(shù)是模擬熱對流過程的關(guān)鍵。一般通過實(shí)驗(yàn)測量或經(jīng)驗(yàn)公式來確定對流傳熱系數(shù)的值。對于自然對流，常用的經(jīng)驗(yàn)公式如牛頓冷卻公式q=h(T_w-T_f)，其中q為熱流密度，h為自然對流傳熱系數(shù)，T_w是焊件表面溫度，T_f是周圍流體溫度。對于強(qiáng)制對流，其對流傳熱系數(shù)的確定則更為復(fù)雜，需要考慮流體的流動(dòng)狀態(tài)、流速等因素，可通過相關(guān)的對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式來計(jì)算。熱輻射在焊接過程中同樣存在，尤其是在高溫區(qū)域，熱輻射的作用更為明顯。熱輻射是物體通過電磁波的形式向外傳遞能量的過程，不需要任何介質(zhì)。在7075鋁合金摩擦疊焊中，當(dāng)焊接區(qū)域溫度較高時(shí)，會向周圍環(huán)境輻射熱量。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體單位面積的輻射熱流密度q與物體表面的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，即q=εσT^4，其中ε是物體的發(fā)射率，σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67×10^{-8}W/（m2·K^4）。發(fā)射率ε反映了物體表面的輻射能力，其值介于0（理想反射體）和1（黑體）之間。7075鋁合金的發(fā)射率與表面狀態(tài)有關(guān)，一般情況下，其發(fā)射率在0.2-0.5之間。在數(shù)值模擬中，考慮熱輻射時(shí)需要準(zhǔn)確設(shè)定發(fā)射率的值。由于熱輻射與溫度的四次方成正比，隨著焊接區(qū)域溫度的升高，熱輻射的作用會迅速增強(qiáng)。在高溫階段，熱輻射對焊接溫度場的影響不可忽略，它會使焊接區(qū)域的熱量更快地散失到周圍環(huán)境中，從而影響焊接接頭的冷卻速度和組織性能。為了準(zhǔn)確模擬焊接過程中的溫度場，需要建立熱傳導(dǎo)方程并進(jìn)行求解。在三維坐標(biāo)系下，考慮材料的內(nèi)熱源（如摩擦生熱和塑性變形生熱），熱傳導(dǎo)方程的一般形式為：ρc\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(λ\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(λ\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(λ\frac{\partialT}{\partialz})+Q其中，ρ是材料的密度（kg/m3），c為比熱容（J/（kg?K）），T表示溫度（K），t是時(shí)間（s），x、y、z是空間坐標(biāo)，Q是單位體積的內(nèi)熱源強(qiáng)度（W/m3）。在摩擦疊焊中，Q主要包括摩擦生熱和塑性變形生熱兩部分。摩擦生熱可根據(jù)摩擦功率來計(jì)算，即Q_{friction}=μPv，其中μ是摩擦系數(shù)，P是軸向壓力，v是相對滑動(dòng)速度。塑性變形生熱則可通過材料的塑性功與轉(zhuǎn)化效率來確定，Q_{plastic}=η\int_{V}σ_{ij}\dot{ε}_{ij}dV，其中η是塑性功轉(zhuǎn)化為熱能的效率，σ_{ij}是應(yīng)力張量，\dot{ε}_{ij}是應(yīng)變率張量。在求解熱傳導(dǎo)方程時(shí)，需要結(jié)合初始條件和邊界條件。初始條件是指焊接開始時(shí)刻焊件的溫度分布，一般假設(shè)初始溫度為室溫T_0，即T(x,y,z,0)=T_0。邊界條件則主要包括對流邊界條件和輻射邊界條件。對流邊界條件可表示為-λ\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_f)，其中n是邊界的法向方向。輻射邊界條件可表示為-λ\frac{\partialT}{\partialn}=εσ(T^4-T_{sur}^4)，T_{sur}是周圍環(huán)境的輻射溫度。在數(shù)值模擬中，通常采用有限元方法對熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行離散求解。將焊件離散為有限個(gè)單元，通過在每個(gè)單元內(nèi)對熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組。以三角形單元為例，通過對單元內(nèi)的溫度進(jìn)行插值近似，將熱傳導(dǎo)方程中的偏導(dǎo)數(shù)用節(jié)點(diǎn)溫度表示，從而得到關(guān)于節(jié)點(diǎn)溫度的代數(shù)方程。將各個(gè)單元的代數(shù)方程進(jìn)行組集，形成整個(gè)焊件的有限元方程組，然后利用數(shù)值計(jì)算方法求解該方程組，得到不同時(shí)刻焊件上各節(jié)點(diǎn)的溫度值。通過這種方式，可以精確模擬焊接過程中溫度場的動(dòng)態(tài)變化，為深入研究焊接過程提供重要的理論依據(jù)。3.3彈塑性力學(xué)在焊接模擬中的應(yīng)用在7075鋁合金摩擦疊焊過程中，材料會經(jīng)歷復(fù)雜的力學(xué)行為，其中彈塑性變形是關(guān)鍵的力學(xué)現(xiàn)象之一，對焊接接頭的質(zhì)量和性能有著重要影響。在焊接的初始階段，當(dāng)金屬柱銷與母材接觸并開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦力和軸向壓力的作用，接觸區(qū)域的材料首先發(fā)生彈性變形。彈性變形階段，材料的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，遵循胡克定律。胡克定律可表示為σ=Eε，其中σ是應(yīng)力，E為彈性模量，ε是應(yīng)變。7075鋁合金在常溫下的彈性模量約為71GPa，這意味著在彈性變形范圍內(nèi)，當(dāng)材料受到一定的應(yīng)力作用時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)比例的彈性應(yīng)變。隨著摩擦生熱和壓力的持續(xù)作用，接觸區(qū)域的溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度降低。當(dāng)應(yīng)力超過材料在當(dāng)前溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料開始進(jìn)入塑性變形階段。塑性變形階段，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性特征，不再遵循胡克定律。材料發(fā)生塑性變形時(shí)，內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移，導(dǎo)致材料的微觀組織發(fā)生變化。在微觀層面，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用使得晶體的滑移系被激活，晶體沿著特定的晶面和晶向發(fā)生相對滑動(dòng)，從而產(chǎn)生宏觀的塑性變形。隨著塑性變形的不斷進(jìn)行，材料會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，即隨著塑性應(yīng)變的增加，材料的屈服強(qiáng)度逐漸提高。這是因?yàn)槲诲e(cuò)的大量增殖和相互纏結(jié)，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而需要更高的應(yīng)力才能使材料繼續(xù)發(fā)生塑性變形。在摩擦疊焊過程中，加工硬化現(xiàn)象會影響材料的流動(dòng)行為和焊接接頭的質(zhì)量。如果加工硬化過于嚴(yán)重，可能導(dǎo)致材料的塑性降低，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。為了準(zhǔn)確描述材料在焊接過程中的彈塑性行為，需要采用合適的本構(gòu)模型。常用的彈塑性本構(gòu)模型包括理想彈塑性模型、雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MKIN）等。理想彈塑性模型假設(shè)材料在屈服前為彈性，屈服后應(yīng)力不再增加，保持為屈服應(yīng)力，這種模型簡單直觀，但不能考慮加工硬化等復(fù)雜現(xiàn)象，適用于對精度要求不高的初步分析。在一些對焊接接頭質(zhì)量要求較低的簡單結(jié)構(gòu)焊接模擬中，可以采用理想彈塑性模型進(jìn)行初步的應(yīng)力應(yīng)變分析。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型則考慮了材料的線性強(qiáng)化特性，它假設(shè)材料在屈服后，隨著塑性應(yīng)變的增加，應(yīng)力以一定的斜率線性增加。該模型能夠較好地描述材料的加工硬化現(xiàn)象，在焊接模擬中應(yīng)用較為廣泛。在7075鋁合金摩擦疊焊模擬中，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以較為準(zhǔn)確地描述材料在塑性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，為分析焊接接頭的力學(xué)性能提供了較為可靠的依據(jù)。多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型則進(jìn)一步考慮了材料在不同塑性應(yīng)變階段的非線性強(qiáng)化特性，能夠更精確地描述材料的復(fù)雜彈塑性行為，但計(jì)算相對復(fù)雜。對于一些對模擬精度要求極高，且材料彈塑性行為非常復(fù)雜的焊接情況，如涉及到多次熱循環(huán)和大變形的焊接過程，可以采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。在選擇本構(gòu)模型時(shí)，需要綜合考慮多種因素。材料的特性是首要考慮因素，不同的鋁合金材料其化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)不同，彈塑性行為也存在差異。7075鋁合金由于其合金元素的含量和分布特點(diǎn)，具有特定的加工硬化特性和屈服行為，因此需要選擇能夠準(zhǔn)確描述這些特性的本構(gòu)模型。焊接過程的特點(diǎn)也不容忽視，如焊接溫度場的分布、加載速率等因素都會影響材料的彈塑性行為。在摩擦疊焊中，由于焊接過程中溫度變化劇烈，加載速率較快，材料的應(yīng)變率效應(yīng)明顯，因此需要選擇能夠考慮應(yīng)變率影響的本構(gòu)模型。計(jì)算效率也是選擇本構(gòu)模型時(shí)需要考慮的重要因素。一些復(fù)雜的本構(gòu)模型雖然能夠更精確地描述材料的彈塑性行為，但計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長。在實(shí)際模擬中，需要在保證計(jì)算精度的前提下，選擇計(jì)算效率較高的本構(gòu)模型，以提高模擬的效率。對于大規(guī)模的焊接結(jié)構(gòu)模擬，為了在合理的時(shí)間內(nèi)得到模擬結(jié)果，可以在一定精度允許的范圍內(nèi)選擇相對簡單但計(jì)算效率高的本構(gòu)模型。3.4摩擦疊焊單元成形數(shù)值模型建立3.4.1模型假設(shè)與簡化為了使數(shù)值模擬能夠更加高效且準(zhǔn)確地進(jìn)行，基于實(shí)際的7075鋁合金摩擦疊焊過程，提出以下合理假設(shè)與簡化措施。假設(shè)在焊接過程中，材料是各向同性的。盡管7075鋁合金在微觀結(jié)構(gòu)上可能存在一定的各向異性，但在宏觀尺度的數(shù)值模擬中，為了簡化計(jì)算，將其視為各向同性材料。這樣的假設(shè)在一定程度上不會對模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)可以大大降低計(jì)算的復(fù)雜性。忽略材料在焊接過程中的微觀組織變化對材料性能的影響。在實(shí)際焊接中，材料的微觀組織如晶粒大小、位錯(cuò)密度等會發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能和熱物理性能。然而，微觀組織變化的模擬需要復(fù)雜的物理模型和大量的計(jì)算資源，目前難以實(shí)現(xiàn)微觀與宏觀的完全耦合模擬。因此，在本模型中暫時(shí)忽略微觀組織變化對材料性能的影響，僅考慮材料性能隨溫度的變化。假設(shè)摩擦系數(shù)在整個(gè)焊接過程中保持恒定。實(shí)際上，摩擦系數(shù)會受到材料表面狀態(tài)、溫度、壓力等多種因素的影響而發(fā)生變化。但在初步模擬中，為了簡化計(jì)算，將摩擦系數(shù)視為常數(shù)。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于7075鋁合金摩擦疊焊，可將摩擦系數(shù)取值在0.3-0.5之間。在模型簡化方面，由于實(shí)際的摩擦疊焊焊件結(jié)構(gòu)可能較為復(fù)雜，包含一些對焊接過程影響較小的細(xì)節(jié)特征，如小孔、倒角等。在不影響模擬精度的前提下，對這些細(xì)節(jié)特征進(jìn)行簡化處理，忽略其對整體焊接過程的影響。這樣可以減少模型的網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。例如，對于直徑小于1mm的小孔和半徑小于0.5mm的倒角，可以直接忽略。同時(shí)，考慮到焊接過程中焊件的某些區(qū)域溫度變化較小，對整體焊接過程的影響可以忽略不計(jì)。因此，對這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)粗化處理，以減少計(jì)算量。在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的母材部分，網(wǎng)格尺寸可以適當(dāng)增大，如將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為焊接區(qū)域網(wǎng)格尺寸的2-3倍。通過這些假設(shè)與簡化措施，在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高了數(shù)值模擬的計(jì)算效率，為后續(xù)的模擬分析奠定了基礎(chǔ)。3.4.2材料模型選擇7075鋁合金在摩擦疊焊過程中，其材料性能會隨著溫度和應(yīng)變的變化而發(fā)生顯著改變。在低溫階段，7075鋁合金表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和彈性模量，其彈性模量約為71GPa。隨著溫度升高，材料的強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。當(dāng)溫度接近其熔點(diǎn)（約577℃）時(shí)，材料的強(qiáng)度和彈性模量急劇下降，材料呈現(xiàn)出明顯的塑性行為。在塑性變形過程中，材料還會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，即隨著塑性應(yīng)變的增加，材料的屈服強(qiáng)度逐漸提高。這種復(fù)雜的材料行為需要選擇合適的材料模型來準(zhǔn)確描述。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）在描述7075鋁合金的彈塑性行為方面具有一定的優(yōu)勢。該模型假設(shè)材料在屈服前遵循胡克定律，表現(xiàn)為彈性行為；屈服后，隨著塑性應(yīng)變的增加，應(yīng)力以一定的斜率線性增加，考慮了材料的加工硬化特性。在7075鋁合金摩擦疊焊模擬中，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型能夠較好地反映材料在焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到該模型的參數(shù)，如屈服強(qiáng)度、彈性模量、硬化模量等。根據(jù)相關(guān)研究，7075鋁合金在室溫下的屈服強(qiáng)度約為455MPa，硬化模量可通過實(shí)驗(yàn)測定或參考相關(guān)文獻(xiàn)確定。將這些參數(shù)輸入到雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型中，能夠準(zhǔn)確地模擬材料在焊接過程中的彈塑性變形行為。除了雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，還可以考慮使用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MKIN）。多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型能夠更精確地描述材料在不同塑性應(yīng)變階段的非線性強(qiáng)化特性。它通過多個(gè)線性段來逼近材料的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線，能夠更細(xì)致地反映材料的復(fù)雜彈塑性行為。在7075鋁合金摩擦疊焊過程中，由于焊接參數(shù)的變化以及材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演變，材料的強(qiáng)化特性可能呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性變化。多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以通過設(shè)置多個(gè)強(qiáng)化階段，更準(zhǔn)確地模擬這種復(fù)雜的強(qiáng)化行為。確定多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型的參數(shù)需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)雜的擬合過程。通常需要進(jìn)行一系列的拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)以及不同溫度下的力學(xué)性能測試，獲取材料在不同應(yīng)變和溫度條件下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。然后，利用這些數(shù)據(jù)通過非線性擬合方法確定模型中的各個(gè)強(qiáng)化階段的參數(shù)，包括屈服強(qiáng)度、硬化模量等。雖然多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型計(jì)算相對復(fù)雜，但對于要求高精度模擬的研究，它能夠提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。3.4.3熱源模型建立在摩擦疊焊過程中，熱源的準(zhǔn)確模擬對于理解焊接過程中的溫度分布和熱影響區(qū)的大小至關(guān)重要。常見的熱源模型包括高斯熱源模型、雙橢球熱源模型、圓錐熱源模型等。高斯熱源模型假設(shè)熱源呈高斯分布，熱流密度在熱源中心處最大，隨著距離熱源中心的距離增加而呈指數(shù)衰減。其表達(dá)式為q(r)=q_0e^{-\frac{r^2}{R^2}}，其中q(r)是半徑為r處的熱流密度，q_0是熱源中心的熱流密度，R是熱源作用半徑。雙橢球熱源模型則將熱源分為前半橢球和后半橢球，分別考慮了熱源在焊接方向上的不同熱輸入分布，更符合實(shí)際焊接過程中熱源的不對稱性。圓錐熱源模型則適用于一些特殊的焊接情況，如錐形熱源作用下的焊接過程。對于7075鋁合金摩擦疊焊，由于其熱源主要來自于金屬柱銷與母材之間的摩擦生熱，且摩擦生熱區(qū)域主要集中在柱銷與母材的接觸界面。因此，建立一種基于摩擦功率的熱源模型更為合適。根據(jù)摩擦生熱原理，單位時(shí)間內(nèi)的摩擦生熱功率P可以表示為P=μFv，其中μ是摩擦系數(shù)，F(xiàn)是軸向壓力，v是金屬柱銷與母材之間的相對滑動(dòng)速度。在實(shí)際焊接過程中，金屬柱銷與母材的接觸面積會隨著焊接過程的進(jìn)行而發(fā)生變化。因此，需要考慮接觸面積對熱流密度分布的影響。假設(shè)接觸面積為A，則單位面積上的熱流密度q可以表示為q=\frac{P}{A}。在數(shù)值模擬中，通過計(jì)算不同時(shí)刻的摩擦功率和接觸面積，來確定熱流密度的分布。為了更準(zhǔn)確地模擬熱源的分布，還可以考慮將熱源分為多個(gè)子熱源，分別模擬不同區(qū)域的摩擦生熱情況。在柱銷與母材的初始接觸區(qū)域和后續(xù)的填充區(qū)域，由于摩擦條件和材料變形情況不同，生熱情況也有所差異。通過將熱源劃分為多個(gè)子熱源，可以更精確地模擬這些差異，從而提高熱源模型的準(zhǔn)確性。3.4.4邊界條件與網(wǎng)格劃分在7075鋁合金摩擦疊焊數(shù)值模擬中，合理設(shè)置邊界條件和進(jìn)行網(wǎng)格劃分是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。在邊界條件設(shè)置方面，考慮到焊件與周圍環(huán)境之間的熱交換，在焊件表面施加對流和輻射邊界條件。對流邊界條件可表示為-λ\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_f)，其中λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{\partialT}{\partialn}是溫度沿邊界法向的梯度，h是對流傳熱系數(shù)，T是焊件表面溫度，T_f是周圍環(huán)境溫度。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于7075鋁合金在空氣中的自然對流，對流傳熱系數(shù)h可取值在5-10W/（m2?K）之間。輻射邊界條件可表示為-λ\frac{\partialT}{\partialn}=εσ(T^4-T_{sur}^4)，其中ε是發(fā)射率，σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T_{sur}是周圍環(huán)境的輻射溫度。7075鋁合金的發(fā)射率ε一般在0.2-0.5之間。在力學(xué)邊界條件方面，為了模擬實(shí)際焊接過程中焊件的固定情況，在焊件的底部和側(cè)面施加位移約束，限制其在焊接過程中的移動(dòng)。在底部施加全約束，即限制x、y、z三個(gè)方向的位移；在側(cè)面根據(jù)實(shí)際情況，限制垂直于側(cè)面方向的位移。這樣可以保證焊件在焊接過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)也符合實(shí)際焊接中的固定方式。網(wǎng)格劃分對模擬結(jié)果的精度和計(jì)算效率有著重要影響。對于7075鋁合金摩擦疊焊模型，由于焊接區(qū)域的溫度梯度和應(yīng)力應(yīng)變梯度較大，需要在焊接區(qū)域進(jìn)行細(xì)密的網(wǎng)格劃分，以準(zhǔn)確捕捉物理量的變化。在金屬柱銷和焊孔周圍區(qū)域，采用較小的網(wǎng)格尺寸，如0.1-0.5mm。而在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的母材部分，由于物理量變化相對較小，可以采用較大的網(wǎng)格尺寸，如1-2mm。這樣既保證了焊接區(qū)域的模擬精度，又減少了整體的計(jì)算量。在網(wǎng)格劃分過程中，選擇合適的單元類型也很重要。對于三維模型，通常采用四面體單元或六面體單元。四面體單元具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地?cái)M合復(fù)雜的幾何形狀，但計(jì)算精度相對較低；六面體單元計(jì)算精度較高，但對幾何形狀的適應(yīng)性較差。在本模擬中，對于形狀復(fù)雜的焊接區(qū)域，如金屬柱銷與焊孔的接觸區(qū)域，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對于形狀規(guī)則的母材部分，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過這種混合網(wǎng)格劃分方法，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高了網(wǎng)格劃分的效率。為了進(jìn)一步提高模擬精度，還可以采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)模擬過程中物理量的變化情況，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度。在溫度梯度或應(yīng)力應(yīng)變梯度較大的區(qū)域，自動(dòng)加密網(wǎng)格；在物理量變化較小的區(qū)域，適當(dāng)粗化網(wǎng)格。通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，可以在不增加過多計(jì)算量的前提下，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。四、7075鋁合金摩擦疊焊單元成形過程數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1溫度場分布與變化規(guī)律通過對7075鋁合金摩擦疊焊單元成形過程的數(shù)值模擬，得到了焊接過程中不同時(shí)刻的溫度場分布云圖，清晰展示了溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。在焊接初期，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的金屬柱銷剛與焊孔底部接觸時(shí)，由于摩擦生熱，接觸區(qū)域的溫度迅速升高。此時(shí)，溫度場分布呈現(xiàn)出以接觸點(diǎn)為中心的近似圓形的高溫區(qū)域，高溫區(qū)域的范圍較小，主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸部位。隨著焊接時(shí)間的推移，熱量通過熱傳導(dǎo)在金屬柱銷和母材中逐漸擴(kuò)散，高溫區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大。在這一階段，熱傳導(dǎo)的作用使得溫度場的分布逐漸趨于均勻，但在柱銷與母材的接觸界面處，溫度梯度仍然較大。當(dāng)焊接進(jìn)行到一定時(shí)間后，溫度場分布呈現(xiàn)出明顯的分層特征。在柱銷內(nèi)部，由于摩擦生熱主要集中在柱銷與母材的接觸表面，柱銷內(nèi)部的溫度相對較低，且溫度分布較為均勻。在焊孔周圍的母材區(qū)域，靠近焊孔的部分溫度較高，隨著與焊孔距離的增加，溫度逐漸降低。在熱影響區(qū)，溫度的變化較為平緩，熱影響區(qū)的范圍隨著焊接時(shí)間的延長而逐漸擴(kuò)大。在焊接后期，當(dāng)金屬柱銷幾乎完全插入焊孔時(shí)，溫度場分布基本穩(wěn)定。此時(shí)，焊孔內(nèi)的塑性化金屬材料溫度較高，且分布相對均勻。而在遠(yuǎn)離焊孔的母材部分，溫度已經(jīng)接近室溫。在整個(gè)焊接過程中，溫度的峰值出現(xiàn)在柱銷與母材的接觸界面處，這是由于該區(qū)域的摩擦生熱最為劇烈。隨著焊接時(shí)間的增加，溫度峰值先迅速升高，然后逐漸趨于穩(wěn)定。通過對不同時(shí)刻溫度場分布的分析，可以發(fā)現(xiàn)溫度場的變化與焊接參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，摩擦生熱功率增大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致溫度場的整體溫度升高，高溫區(qū)域的范圍也相應(yīng)擴(kuò)大。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散的熱量相對減少，使得溫度場的分布更加集中在柱銷周圍，高溫區(qū)域的范圍減小。軸向壓力的變化也會對溫度場產(chǎn)生影響。增大軸向壓力，會增加柱銷與母材之間的摩擦力，從而提高摩擦生熱功率，使溫度場的溫度升高。為了更直觀地研究溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，選取了焊接過程中的幾個(gè)關(guān)鍵位置，繪制了溫度隨時(shí)間的變化曲線。在柱銷與焊孔底部的初始接觸點(diǎn)處，溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，達(dá)到峰值后略有下降，然后保持相對穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，摩擦生熱迅速使該點(diǎn)溫度升高，隨著熱量的擴(kuò)散，溫度略有下降，當(dāng)熱輸入與熱擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，溫度保持穩(wěn)定。在焊孔壁上距離底部一定距離的位置，溫度上升的速度相對較慢，達(dá)到峰值的時(shí)間也較晚。這是由于熱量需要通過熱傳導(dǎo)從接觸點(diǎn)傳遞到該位置，存在一定的時(shí)間延遲。隨著距離焊孔底部距離的增加，溫度峰值逐漸降低，達(dá)到峰值的時(shí)間也逐漸延遲。在遠(yuǎn)離焊孔的母材區(qū)域，溫度的變化較為緩慢，基本保持在室溫附近。這表明在該區(qū)域，熱傳導(dǎo)的作用較弱，熱量難以傳遞到此處。通過對溫度隨時(shí)間和空間變化規(guī)律的研究，可以為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供重要依據(jù)。根據(jù)溫度場的分布情況，可以合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸向壓力等參數(shù)，以控制焊接過程中的溫度，避免出現(xiàn)過熱或過冷現(xiàn)象，從而提高焊接接頭的質(zhì)量。4.2應(yīng)力場分布與變化規(guī)律在7075鋁合金摩擦疊焊過程中，應(yīng)力場的分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征，這與焊接過程中的材料變形、溫度變化以及摩擦等因素密切相關(guān)。在焊接初期，當(dāng)金屬柱銷開始旋轉(zhuǎn)并與焊孔底部接觸時(shí)，接觸區(qū)域受到強(qiáng)烈的摩擦力和軸向壓力作用，產(chǎn)生較大的應(yīng)力。此時(shí)，應(yīng)力主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸部位，呈現(xiàn)出以接觸點(diǎn)為中心的近似圓形分布。由于摩擦生熱導(dǎo)致該區(qū)域溫度迅速升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，使得應(yīng)力更容易集中。在接觸點(diǎn)附近，應(yīng)力值可達(dá)到較高水平，如在特定焊接參數(shù)下，應(yīng)力值可能超過材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形。隨著焊接過程的推進(jìn)，金屬柱銷逐漸插入焊孔，應(yīng)力分布范圍逐漸擴(kuò)大。在焊孔周圍的母材區(qū)域，由于受到柱銷的擠壓和熱影響，也會產(chǎn)生一定的應(yīng)力。在這個(gè)階段，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不均勻性，靠近焊孔的區(qū)域應(yīng)力較大，隨著與焊孔距離的增加，應(yīng)力逐漸減小。在熱影響區(qū)，由于溫度變化導(dǎo)致材料的熱膨脹和收縮不一致，會產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力與焊接過程中的機(jī)械應(yīng)力相互疊加，使得熱影響區(qū)的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。在熱影響區(qū)靠近焊孔的一側(cè)，應(yīng)力可能由于熱膨脹受到限制而表現(xiàn)為拉應(yīng)力；而在遠(yuǎn)離焊孔的一側(cè)，可能由于材料的收縮而表現(xiàn)為壓應(yīng)力。當(dāng)焊接接近完成時(shí)，金屬柱銷幾乎完全插入焊孔，此時(shí)應(yīng)力場分布基本穩(wěn)定。在焊孔內(nèi)的塑性化金屬材料中，應(yīng)力分布相對均勻，但應(yīng)力水平仍然較高。這是因?yàn)樗苄曰饘僭谔畛浜缚椎倪^程中，受到周圍母材的約束，產(chǎn)生了一定的殘余應(yīng)力。在遠(yuǎn)離焊孔的母材部分，應(yīng)力已經(jīng)恢復(fù)到接近初始狀態(tài)，基本可以忽略不計(jì)。整個(gè)焊接過程中，應(yīng)力的變化與溫度場的變化存在密切的耦合關(guān)系。隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，相同載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力也會相應(yīng)減小。然而，由于焊接過程中的熱梯度和材料的不均勻變形，會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。在溫度梯度較大的區(qū)域，如柱銷與母材的接觸界面以及熱影響區(qū)的邊界，應(yīng)力集中更為明顯。這些應(yīng)力集中區(qū)域可能會對焊接接頭的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，容易引發(fā)裂紋等缺陷。焊接參數(shù)對應(yīng)力場分布和變化也有著顯著的影響。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，摩擦生熱增大，溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，使得應(yīng)力分布范圍擴(kuò)大，但應(yīng)力峰值可能會有所降低。因?yàn)檩^高的溫度使材料更容易發(fā)生塑性變形，從而緩解了應(yīng)力集中。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散的熱量相對減少，溫度場分布更加集中，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域更加集中在柱銷周圍，應(yīng)力峰值可能會增大。軸向壓力的增大則會直接增加柱銷與母材之間的摩擦力和擠壓力，使得應(yīng)力場的整體應(yīng)力水平升高。為了更直觀地了解應(yīng)力隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，選取焊接過程中的關(guān)鍵位置繪制應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。在柱銷與焊孔底部的初始接觸點(diǎn)處，應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，達(dá)到峰值后略有下降，然后保持相對穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，接觸點(diǎn)受到強(qiáng)烈的摩擦力和壓力作用，應(yīng)力迅速增大；隨著材料的塑性變形和熱量的擴(kuò)散，應(yīng)力有所緩解，但由于塑性化金屬的填充和約束，應(yīng)力仍然保持在較高水平。在焊孔壁上距離底部一定距離的位置，應(yīng)力上升的速度相對較慢，達(dá)到峰值的時(shí)間也較晚。這是由于應(yīng)力需要通過材料的傳遞和變形逐漸傳播到該位置，存在一定的時(shí)間延遲。隨著距離焊孔底部距離的增加，應(yīng)力峰值逐漸降低，達(dá)到峰值的時(shí)間也逐漸延遲。在遠(yuǎn)離焊孔的母材區(qū)域，應(yīng)力的變化較為緩慢，基本保持在較低水平。這表明在該區(qū)域，焊接過程的影響較小，應(yīng)力主要由材料的初始狀態(tài)和外部約束決定。通過對焊接過程中應(yīng)力場分布與變化規(guī)律的深入研究，可以為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供重要依據(jù)。根據(jù)應(yīng)力場的分布情況，可以合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸向壓力等參數(shù)，以降低應(yīng)力集中，減少殘余應(yīng)力，從而提高焊接接頭的質(zhì)量和可靠性。4.3應(yīng)變場分布與變化規(guī)律在7075鋁合金摩擦疊焊單元成形過程中，應(yīng)變場的分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，與焊接過程中的溫度變化、材料的塑性變形以及應(yīng)力分布密切相關(guān)。在焊接初期，當(dāng)金屬柱銷開始旋轉(zhuǎn)并與焊孔底部接觸時(shí)，接觸區(qū)域的材料首先受到強(qiáng)烈的摩擦力和軸向壓力作用，產(chǎn)生較大的應(yīng)變。此時(shí)，應(yīng)變主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸部位，呈現(xiàn)出以接觸點(diǎn)為中心的局部高應(yīng)變區(qū)域。在該區(qū)域，由于材料受到的外力作用較大，且溫度尚未充分升高使材料軟化，因此應(yīng)變較為集中，應(yīng)變值相對較大。在特定焊接參數(shù)下，接觸點(diǎn)附近的應(yīng)變可能達(dá)到0.2-0.5左右，導(dǎo)致材料發(fā)生明顯的塑性變形。隨著焊接過程的進(jìn)行，金屬柱銷逐漸插入焊孔，應(yīng)變分布范圍逐漸擴(kuò)大。在焊孔周圍的母材區(qū)域，由于受到柱銷的擠壓和熱影響，也會產(chǎn)生一定的應(yīng)變。在這個(gè)階段，應(yīng)變分布呈現(xiàn)出不均勻性，靠近焊孔的區(qū)域應(yīng)變較大，隨著與焊孔距離的增加，應(yīng)變逐漸減小。在熱影響區(qū)，由于溫度變化導(dǎo)致材料的熱膨脹和收縮不一致，會產(chǎn)生熱應(yīng)變。這種熱應(yīng)變與焊接過程中的機(jī)械應(yīng)變相互疊加，使得熱影響區(qū)的應(yīng)變分布更加復(fù)雜。在熱影響區(qū)靠近焊孔的一側(cè)，由于材料受熱膨脹受到周圍冷態(tài)材料的約束，會產(chǎn)生較大的壓應(yīng)變；而在遠(yuǎn)離焊孔的一側(cè)，由于材料冷卻收縮，可能會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)變。當(dāng)焊接接近完成時(shí)，金屬柱銷幾乎完全插入焊孔，此時(shí)應(yīng)變場分布基本穩(wěn)定。在焊孔內(nèi)的塑性化金屬材料中，應(yīng)變分布相對均勻，但應(yīng)變水平仍然較高。這是因?yàn)樗苄曰饘僭谔畛浜缚椎倪^程中，經(jīng)歷了復(fù)雜的塑性變形過程，積累了較大的應(yīng)變。在遠(yuǎn)離焊孔的母材部分，應(yīng)變已經(jīng)恢復(fù)到接近初始狀態(tài)，基本可以忽略不計(jì)。整個(gè)焊接過程中，應(yīng)變的變化與溫度場和應(yīng)力場的變化存在密切的耦合關(guān)系。隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致應(yīng)變增大。在高溫區(qū)域，材料的塑性變形能力增強(qiáng)，應(yīng)變分布更加均勻。應(yīng)力的分布也會影響應(yīng)變的大小和分布。在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)變往往較大；而在應(yīng)力較小的區(qū)域，應(yīng)變也相應(yīng)較小。焊接參數(shù)對應(yīng)變場分布和變化也有著顯著的影響。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，摩擦生熱增大，溫度升高，材料的塑性變形能力增強(qiáng)，應(yīng)變分布范圍擴(kuò)大，應(yīng)變值也可能會增大。因?yàn)檩^高的溫度使材料更容易發(fā)生塑性流動(dòng)，從而產(chǎn)生更大的應(yīng)變。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散的熱量相對減少，溫度場分布更加集中，導(dǎo)致應(yīng)變集中區(qū)域更加集中在柱銷周圍，應(yīng)變峰值可能會增大。軸向壓力的增大則會直接增加柱銷與母材之間的擠壓力，使得應(yīng)變場的整體應(yīng)變水平升高。為了更直觀地了解應(yīng)變隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，選取焊接過程中的關(guān)鍵位置繪制應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。在柱銷與焊孔底部的初始接觸點(diǎn)處，應(yīng)變在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，達(dá)到峰值后略有下降，然后保持相對穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，接觸點(diǎn)受到強(qiáng)烈的摩擦力和壓力作用，應(yīng)變迅速增大；隨著材料的塑性變形和熱量的擴(kuò)散，應(yīng)變有所緩解，但由于塑性化金屬的填充和約束，應(yīng)變?nèi)匀槐３衷谳^高水平。在焊孔壁上距離底部一定距離的位置，應(yīng)變上升的速度相對較慢，達(dá)到峰值的時(shí)間也較晚。這是由于應(yīng)變需要通過材料的傳遞和變形逐漸傳播到該位置，存在一定的時(shí)間延遲。隨著距離焊孔底部距離的增加，應(yīng)變峰值逐漸降低，達(dá)到峰值的時(shí)間也逐漸延遲。在遠(yuǎn)離焊孔的母材區(qū)域，應(yīng)變的變化較為緩慢，基本保持在較低水平。這表明在該區(qū)域，焊接過程的影響較小，應(yīng)變主要由材料的初始狀態(tài)和外部約束決定。通過對焊接過程中應(yīng)變場分布與變化規(guī)律的深入研究，可以為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供重要依據(jù)。根據(jù)應(yīng)變場的分布情況，可以合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸向壓力等參數(shù)，以控制材料的塑性變形程度，減少殘余應(yīng)變，從而提高焊接接頭的質(zhì)量和可靠性。4.4材料流動(dòng)行為分析通過數(shù)值模擬結(jié)果，能夠清晰地觀察到7075鋁合金摩擦疊焊過程中材料的流動(dòng)軌跡和形態(tài)。在焊接開始階段，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的金屬柱銷與焊孔底部接觸時(shí)，由于摩擦力的作用，接觸區(qū)域的材料首先發(fā)生塑性變形并開始流動(dòng)。此時(shí)，材料的流動(dòng)呈現(xiàn)出以接觸點(diǎn)為中心的徑向流動(dòng)模式，即材料從接觸點(diǎn)向四周擴(kuò)散。隨著柱銷的逐漸插入，材料的流動(dòng)變得更加復(fù)雜。在柱銷的旋轉(zhuǎn)作用下，材料不僅沿著柱銷的軸向向上流動(dòng)，還圍繞柱銷做圓周運(yùn)動(dòng)，形成了一種螺旋狀的流動(dòng)軌跡。這種螺旋狀的流動(dòng)軌跡使得材料在填充焊孔的過程中能夠更加充分地混合和均勻分布。在焊孔周圍的母材區(qū)域，材料也會受到一定程度的影響而發(fā)生流動(dòng)?？拷缚椎哪覆牟牧蠒恢N的旋轉(zhuǎn)和擠壓作用帶動(dòng)，向焊孔內(nèi)部流動(dòng)。而遠(yuǎn)離焊孔的母材材料則主要受到熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力的影響，其流動(dòng)相對較小。在整個(gè)焊接過程中，材料的流動(dòng)形態(tài)與溫度場和應(yīng)力場密切相關(guān)。在高溫區(qū)域，材料的塑性變形能力增強(qiáng)，流動(dòng)性更好，更容易發(fā)生流動(dòng)。而在應(yīng)力集中區(qū)域，材料的流動(dòng)則會受到一定的阻礙，可能導(dǎo)致材料的堆積或不均勻分布。材料的流動(dòng)行為對焊接接頭質(zhì)量有著重要影響。如果材料流動(dòng)不均勻，可能會導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)部出現(xiàn)空隙、夾雜等缺陷，從而降低焊接接頭的強(qiáng)度和密封性。材料的流動(dòng)還會影響焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能。在材料流動(dòng)劇烈的區(qū)域，晶粒會發(fā)生明顯的細(xì)化和再結(jié)晶，從而提高接頭的強(qiáng)度和韌性。而在材料流動(dòng)緩慢的區(qū)域，晶粒可能會出現(xiàn)長大和粗化，導(dǎo)致接頭的性能下降。為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，需要優(yōu)化焊接參數(shù)，以控制材料的流動(dòng)行為。通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸向壓力等參數(shù)，可以改變材料的流動(dòng)軌跡和形態(tài)，使其更加均勻和穩(wěn)定。適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)速度可以增強(qiáng)材料的圓周運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)材料的混合；而增加軸向壓力則可以加快材料的軸向流動(dòng)，提高填充效率。五、工藝參數(shù)對7075鋁合金摩擦疊焊單元成形的影響5.1焊接速度對成形的影響通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了焊接速度對7075鋁合金摩擦疊焊單元成形的影響，深入分析了不同焊接速度下焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場以及材料流動(dòng)行為的變化規(guī)律。當(dāng)焊接速度較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)金屬柱銷與母材之間的相對運(yùn)動(dòng)距離較短，摩擦生熱在較小的區(qū)域內(nèi)積累，導(dǎo)致該區(qū)域溫度迅速升高。在焊接速度為50mm/min的模擬條件下，溫度場云圖顯示，柱銷與焊孔底部接觸區(qū)域的溫度峰值可達(dá)到600℃以上，高溫區(qū)域范圍相對較小，主要集中在柱銷周圍半徑約3-5mm的范圍內(nèi)。這是因?yàn)檩^低的焊接速度使得摩擦生熱的時(shí)間相對較長，熱量來不及擴(kuò)散，從而在局部區(qū)域積聚。隨著焊接速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)摩擦生熱的區(qū)域增大，熱量有更多機(jī)會通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散到周圍材料中。當(dāng)焊接速度提高到100mm/min時(shí)，溫度場的整體溫度有所降低，高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大。此時(shí)，溫度峰值約為550℃，高溫區(qū)域半徑擴(kuò)大到5-7mm。這表明焊接速度的增加有助于熱量的分散，使溫度場分布更加均勻。然而，當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增加到150mm/min時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散的熱量相對較少，溫度場的分布變得更加集中在柱銷周圍。溫度峰值略有升高，達(dá)到570℃左右，但高溫區(qū)域范圍減小，半徑縮小到3-4mm。這是因?yàn)檫^快的焊接速度導(dǎo)致熱量來不及充分?jǐn)U散，使得熱量集中在柱銷附近，容易造成局部過熱。焊接速度對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)力場也有著顯著的影響。在較低焊接速度下，由于摩擦生熱相對較多，材料的屈服強(qiáng)度降低，應(yīng)力分布范圍相對較大，但應(yīng)力峰值相對較低。在焊接速度為50mm/min時(shí)，應(yīng)力場云圖顯示，應(yīng)力主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域以及焊孔周圍一定范圍內(nèi)。最大應(yīng)力值約為350MPa，應(yīng)力分布較為均勻，在熱影響區(qū)的應(yīng)力變化相對平緩。隨著焊接速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入減少，材料的屈服強(qiáng)度相對較高，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域更加集中在柱銷周圍。當(dāng)焊接速度提高到100mm/min時(shí)，最大應(yīng)力值增大到400MPa左右，應(yīng)力集中在柱銷與焊孔壁的接觸區(qū)域以及焊孔底部靠近柱銷的部分。這是因?yàn)楹附铀俣鹊脑黾邮沟貌牧系淖冃胃蛹性诰植繀^(qū)域，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增加到150mm/min時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，最大應(yīng)力值可達(dá)到450MPa以上。由于焊接速度過快，材料來不及充分變形和釋放應(yīng)力，使得應(yīng)力在柱銷周圍積聚，容易引發(fā)裂紋等缺陷。焊接速度的變化同樣對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)變場產(chǎn)生重要影響。在低焊接速度下，材料有足夠的時(shí)間發(fā)生塑性變形，應(yīng)變分布相對均勻。在焊接速度為50mm/min時(shí)，應(yīng)變場云圖顯示，柱銷與焊孔底部接觸區(qū)域的應(yīng)變較大，達(dá)到0.3-0.4左右，而在遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的母材部分，應(yīng)變逐漸減小。隨著焊接速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)材料的變形量增大，應(yīng)變集中區(qū)域更加集中在柱銷周圍。當(dāng)焊接速度提高到100mm/min時(shí)，柱銷周圍區(qū)域的應(yīng)變明顯增大，最大值可達(dá)到0.5左右，而遠(yuǎn)離柱銷的母材部分應(yīng)變相對較小。這是因?yàn)楹附铀俣鹊脑黾邮沟貌牧显诙虝r(shí)間內(nèi)受到更大的外力作用，導(dǎo)致應(yīng)變集中在柱銷周圍。當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增加到150mm/min時(shí)，應(yīng)變集中現(xiàn)象更加突出，柱銷周圍區(qū)域的應(yīng)變最大值可超過0.6。由于焊接速度過快，材料的變形不均勻性加劇，可能會導(dǎo)致焊接接頭的質(zhì)量下降。焊接速度對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的材料流動(dòng)行為也有明顯的影響。在較低焊接速度下，材料的流動(dòng)相對較為充分和均勻。由于摩擦生熱較多，材料的塑性變形能力較強(qiáng)，使得材料能夠在焊孔內(nèi)充分填充和混合。在焊接速度為50mm/min時(shí)，材料流動(dòng)軌跡顯示，塑性化金屬從柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域開始，沿著柱銷的旋轉(zhuǎn)方向和軸向向上流動(dòng)，形成較為規(guī)則的螺旋狀流動(dòng)軌跡。隨著焊接速度的增加，材料的流動(dòng)速度加快，但流動(dòng)的均勻性可能會受到影響。當(dāng)焊接速度提高到100mm/min時(shí)，材料流動(dòng)速度明顯加快，但在柱銷周圍可能會出現(xiàn)一些局部的流動(dòng)不均勻現(xiàn)象，如材料的堆積或空隙。這是因?yàn)楹附铀俣鹊脑黾邮沟貌牧显诙虝r(shí)間內(nèi)受到較大的外力作用，導(dǎo)致材料的流動(dòng)難以保持均勻。當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增加到150mm/min時(shí)，材料流動(dòng)的不均勻性更加明顯，可能會出現(xiàn)較大的空隙或未填充區(qū)域。由于焊接速度過快，材料來不及充分流動(dòng)和填充焊孔，從而影響焊接接頭的質(zhì)量。5.2旋轉(zhuǎn)速度對成形的影響旋轉(zhuǎn)速度是7075鋁合金摩擦疊焊過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，對焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場以及材料流動(dòng)行為和焊接接頭質(zhì)量均產(chǎn)生顯著影響。在不同的旋轉(zhuǎn)速度下，焊接過程中的物理現(xiàn)象和接頭質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，金屬柱銷與母材之間的相對運(yùn)動(dòng)速度較慢，摩擦生熱功率較小。在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min的模擬條件下，溫度場云圖顯示，柱銷與焊孔底部接觸區(qū)域的溫度峰值相對較低，約為500℃，高溫區(qū)域范圍較小，主要集中在柱銷周圍半徑約2-3mm的范圍內(nèi)。這是因?yàn)檩^低的旋轉(zhuǎn)速度使得單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱較少，熱量難以在材料中充分?jǐn)U散。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，摩擦生熱功率增大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高到1200r/min時(shí)，溫度場的整體溫度升高，高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大。此時(shí)，溫度峰值可達(dá)到550℃左右，高溫區(qū)域半徑擴(kuò)大到4-5mm。這表明旋轉(zhuǎn)速度的增加有助于提高焊接區(qū)域的溫度，促進(jìn)材料的塑性變形。然而，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加到1600r/min時(shí)，由于摩擦生熱過于劇烈，溫度場的分布變得不均勻，可能出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。溫度峰值可能超過600℃，在柱銷周圍某些區(qū)域可能出現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致材料軟化過度，甚至出現(xiàn)微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。旋轉(zhuǎn)速度對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)力場也有著重要的影響。在較低旋轉(zhuǎn)速度下，由于摩擦生熱相對較少，材料的屈服強(qiáng)度較高，應(yīng)力分布范圍相對較小，但應(yīng)力峰值相對較高。在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，應(yīng)力場云圖顯示，應(yīng)力主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域以及焊孔周圍較小的范圍內(nèi)。最大應(yīng)力值約為400MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，在熱影響區(qū)的應(yīng)力變化相對較大。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，摩擦生熱增多，材料的屈服強(qiáng)度降低，應(yīng)力分布范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力峰值相對降低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高到1200r/min時(shí)，最大應(yīng)力值減小到350MPa左右，應(yīng)力分布在柱銷與焊孔壁的接觸區(qū)域以及焊孔周圍更大的范圍。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的增加使得材料更容易發(fā)生塑性變形，從而緩解了應(yīng)力集中。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加到1600r/min時(shí)，由于溫度分布不均勻和材料軟化過度，應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜，可能出現(xiàn)局部應(yīng)力集中加劇的情況。在溫度過高的區(qū)域，材料的承載能力下降，應(yīng)力可能會集中在這些薄弱部位，增加了焊接接頭產(chǎn)生裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。旋轉(zhuǎn)速度的變化同樣對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)變場產(chǎn)生重要影響。在低旋轉(zhuǎn)速度下，材料的塑性變形相對較小，應(yīng)變分布相對集中在柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域。在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，應(yīng)變場云圖顯示，柱銷與焊孔底部接觸區(qū)域的應(yīng)變較大，達(dá)到0.2-0.3左右，而在遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的母材部分，應(yīng)變較小。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，材料的塑性變形能力增強(qiáng)，應(yīng)變分布范圍擴(kuò)大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高到1200r/min時(shí)，柱銷周圍區(qū)域的應(yīng)變明顯增大，最大值可達(dá)到0.4左右，應(yīng)變分布在柱銷周圍更大的范圍內(nèi)。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的增加使得材料受到更大的摩擦力和剪切力作用，從而產(chǎn)生更大的塑性變形。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加到1600r/min時(shí)，應(yīng)變集中現(xiàn)象更加突出，柱銷周圍區(qū)域的應(yīng)變最大值可超過0.5。由于旋轉(zhuǎn)速度過快，材料的變形不均勻性加劇，可能會導(dǎo)致焊接接頭的質(zhì)量下降。旋轉(zhuǎn)速度對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的材料流動(dòng)行為也有明顯的影響。在較低旋轉(zhuǎn)速度下，材料的流動(dòng)相對較為緩慢，流動(dòng)軌跡相對規(guī)則。由于摩擦生熱較少，材料的塑性變形能力較弱，使得材料在焊孔內(nèi)的填充和混合相對不充分。在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，材料流動(dòng)軌跡顯示，塑性化金屬從柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域開始，沿著柱銷的旋轉(zhuǎn)方向和軸向向上流動(dòng)，但流動(dòng)速度較慢，形成的螺旋狀流動(dòng)軌跡相對較窄。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，材料的流動(dòng)速度加快，流動(dòng)更加充分。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高到1200r/min時(shí)，材料流動(dòng)速度明顯加快，塑性化金屬能夠更快速地填充焊孔，螺旋狀流動(dòng)軌跡更加明顯，材料的混合更加均勻。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的增加使得材料受到更大的剪切力和摩擦力作用，促進(jìn)了材料的流動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加到1600r/min時(shí)，材料流動(dòng)的不均勻性可能會增加，在柱銷周圍可能會出現(xiàn)一些局部的材料堆積或空隙。由于旋轉(zhuǎn)速度過快，材料的流動(dòng)難以完全均勻，可能會影響焊接接頭的質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，需要合理控制旋轉(zhuǎn)速度。綜合考慮溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場以及材料流動(dòng)行為等因素，在7075鋁合金摩擦疊焊過程中，旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。一般來說，對于常見的焊接工藝，旋轉(zhuǎn)速度在1000-1400r/min之間較為合適。在這個(gè)范圍內(nèi)，既能保證足夠的摩擦生熱，促進(jìn)材料的塑性變形和良好的材料流動(dòng)，又能避免因溫度過高或應(yīng)力應(yīng)變過大導(dǎo)致的焊接缺陷。通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度，可以提高焊接接頭的質(zhì)量和性能，滿足實(shí)際工程的需求。5.3軸向壓力對成形的影響軸向壓力在7075鋁合金摩擦疊焊過程中起著關(guān)鍵作用，對焊接接頭的質(zhì)量和性能有著多方面的重要影響。在焊接過程中，軸向壓力直接決定了金屬柱銷與母材之間的摩擦力大小，進(jìn)而影響摩擦生熱的速率和總量。當(dāng)軸向壓力較小時(shí)，柱銷與母材之間的摩擦力較小，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱較少。在軸向壓力為1kN的模擬條件下，溫度場云圖顯示，柱銷與焊孔底部接觸區(qū)域的溫度峰值相對較低，約為500℃，高溫區(qū)域范圍較小，主要集中在柱銷周圍半徑約2-3mm的范圍內(nèi)。這是因?yàn)檩^小的軸向壓力使得摩擦生熱功率較低，熱量難以在材料中充分?jǐn)U散。隨著軸向壓力的增加，柱銷與母材之間的摩擦力增大，摩擦生熱功率提高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多。當(dāng)軸向壓力增大到3kN時(shí)，溫度場的整體溫度升高，高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大。此時(shí)，溫度峰值可達(dá)到550℃左右，高溫區(qū)域半徑擴(kuò)大到4-5mm。這表明軸向壓力的增加有助于提高焊接區(qū)域的溫度，促進(jìn)材料的塑性變形。然而，當(dāng)軸向壓力過大時(shí)，如增加到5kN，由于摩擦生熱過于劇烈，溫度場的分布變得不均勻，可能出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。溫度峰值可能超過600℃，在柱銷周圍某些區(qū)域可能出現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致材料軟化過度，甚至出現(xiàn)微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。軸向壓力對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)力場也有著顯著的影響。在較低軸向壓力下，由于摩擦力相對較小，材料所受的外力較小，應(yīng)力分布范圍相對較小，但應(yīng)力峰值相對較高。在軸向壓力為1kN時(shí)，應(yīng)力場云圖顯示，應(yīng)力主要集中在柱銷與焊孔底部的接觸區(qū)域以及焊孔周圍較小的范圍內(nèi)。最大應(yīng)力值約為400MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，在熱影響區(qū)的應(yīng)力變化相對較大。隨著軸向壓力的增加，摩擦力增大，材料所受的外力增大，應(yīng)力分布范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力峰值相對降低。當(dāng)軸向壓力提高到3kN時(shí)，最大應(yīng)力值減小到350MPa左右，應(yīng)力分布在柱銷與焊孔壁的接觸區(qū)域以及焊孔周圍更大的范圍。這是因?yàn)檩S向壓力的增加使得材料更容易發(fā)生塑性變形，從而緩解了應(yīng)力集中。當(dāng)軸向壓力進(jìn)一步增加到5kN時(shí)，由于溫度分布不均勻和材料軟化過度，應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜，可能出現(xiàn)局部應(yīng)力集中加劇的情況。在溫度過高的區(qū)域，材料的承載能力下降，應(yīng)力可能會集中在這些薄弱部位，增加了焊接接頭產(chǎn)生裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。軸向壓力的變化同樣對7075鋁合金摩擦疊焊過程中的應(yīng)變場產(chǎn)生重要影響。在低軸向壓力下，材料所受的外力較小，塑性變形相對較小，應(yīng)變分布相對集中在柱銷與