差厚鋁合金板攪拌摩擦焊數(shù)值模擬：工藝、性能與優(yōu)化一、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，材料的性能與加工技術(shù)始終是推動(dòng)各領(lǐng)域進(jìn)步的關(guān)鍵要素。鋁合金作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度且具備良好耐腐蝕性的金屬材料，在航空航天、汽車(chē)制造、船舶工程等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，為滿足飛行器輕量化和高性能的嚴(yán)苛要求，鋁合金被大量用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及航天器的結(jié)構(gòu)件等。例如，波音系列飛機(jī)和空客系列飛機(jī)的眾多部件均采用鋁合金制造，有效減輕了飛機(jī)重量，提升了燃油效率和飛行性能。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，隨著環(huán)保和節(jié)能要求的日益提高，鋁合金在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等部件的應(yīng)用越來(lái)越普遍，有助于降低汽車(chē)自重，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少尾氣排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，部分新型汽車(chē)的鋁合金使用量已達(dá)到車(chē)身總重量的20%-30%。在船舶工程領(lǐng)域，鋁合金因其優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于制造船舶的船體結(jié)構(gòu)、甲板、上層建筑等，能夠有效延長(zhǎng)船舶的使用壽命，降低維護(hù)成本。然而，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要將不同厚度的鋁合金板進(jìn)行連接，以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。差厚鋁合金板的連接面臨著諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的焊接方法在處理差厚鋁合金板時(shí)往往存在局限性。例如，熔化焊過(guò)程中，由于不同厚度板材的熱輸入需求差異較大，容易導(dǎo)致焊縫組織不均勻，出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，同時(shí)還可能引起較大的焊接變形，嚴(yán)重影響焊接接頭的質(zhì)量和性能。攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding，F(xiàn)SW）作為一種新型的固相連接技術(shù)，自1991年由英國(guó)焊接研究所發(fā)明以來(lái)，憑借其獨(dú)特的焊接機(jī)制和顯著的優(yōu)勢(shì)，在鋁合金焊接領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。攪拌摩擦焊的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間產(chǎn)生的摩擦熱和塑性變形熱，使焊接區(qū)域的金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭的機(jī)械攪拌和頂鍛作用下，實(shí)現(xiàn)金屬的連接。與傳統(tǒng)的熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊具有眾多優(yōu)點(diǎn)。其一，焊接過(guò)程中金屬不發(fā)生熔化，屬于固相焊接，避免了熔化焊中常見(jiàn)的氣孔、裂紋、熱裂紋等缺陷，能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭。其二，焊接熱影響區(qū)較小，殘余應(yīng)力低，焊接變形小，有利于保持焊件的尺寸精度和結(jié)構(gòu)完整性。其三，攪拌摩擦焊操作過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，能耗低，且無(wú)需添加焊絲和保護(hù)氣體，降低了生產(chǎn)成本。其四，該技術(shù)可焊接熱裂紋敏感的材料，并且適用于異種材料的焊接。此外，攪拌摩擦焊還具有安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等環(huán)保優(yōu)勢(shì)。由于差厚鋁合金板在厚度上存在差異，在攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及應(yīng)力應(yīng)變分布等會(huì)更加復(fù)雜，這給焊接工藝的優(yōu)化和焊接質(zhì)量的控制帶來(lái)了極大的困難。如果焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，如未焊透、隧道缺陷、飛邊等，從而降低焊接接頭的強(qiáng)度和可靠性。因此，深入研究差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量具有至關(guān)重要的意義。數(shù)值模擬作為一種有效的研究手段，能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，直觀地展現(xiàn)焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等的變化規(guī)律，分析不同焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。通過(guò)數(shù)值模擬，可以在實(shí)際焊接之前預(yù)測(cè)焊接結(jié)果，為焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本和時(shí)間。同時(shí)，數(shù)值模擬還能夠深入研究焊接過(guò)程中微觀組織的演變和力學(xué)性能的變化，為進(jìn)一步理解攪拌摩擦焊的焊接機(jī)制提供理論支持。因此，開(kāi)展差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀攪拌摩擦焊技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，便受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬在攪拌摩擦焊研究中的應(yīng)用日益深入，為揭示焊接過(guò)程的物理機(jī)制、優(yōu)化焊接工藝提供了重要的手段。在國(guó)外，許多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了大量的研究。早在20世紀(jì)90年代，英國(guó)焊接研究所（TWI）作為攪拌摩擦焊的發(fā)明者，率先開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，并取得了一系列重要成果。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程，包括溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等的分布規(guī)律，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的學(xué)者也紛紛加入到攪拌摩擦焊的研究行列中，在焊接工藝、接頭性能、數(shù)值模擬等方面取得了豐碩的成果。在溫度場(chǎng)模擬方面，國(guó)外學(xué)者提出了多種熱源模型，如Rosenthal熱源模型、雙橢球熱源模型、高斯熱源模型等。這些熱源模型能夠較好地模擬攪拌摩擦焊過(guò)程中的摩擦熱和塑性變形熱的產(chǎn)生和分布，為溫度場(chǎng)的精確模擬提供了保障。同時(shí)，學(xué)者們還利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS、DEFORM等，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了焊接工藝參數(shù)、攪拌頭形狀、材料特性等因素對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。例如，A.P.Reynolds等人通過(guò)數(shù)值模擬研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度對(duì)7075鋁合金攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，攪拌頭轉(zhuǎn)速越高，焊接速度越低，焊接溫度越高。在殘余應(yīng)力模擬方面，國(guó)外學(xué)者主要采用有限元法和熱彈塑性理論，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析。他們研究了焊接工藝參數(shù)、材料特性、結(jié)構(gòu)約束等因素對(duì)殘余應(yīng)力分布和大小的影響，并提出了一些降低殘余應(yīng)力的方法。例如，H.Fujii等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了6061鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力在焊縫中心處最大，沿焊縫長(zhǎng)度方向和厚度方向逐漸減小。在材料流動(dòng)模擬方面，國(guó)外學(xué)者利用粒子示蹤法、數(shù)值模擬等手段，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的材料流動(dòng)行為進(jìn)行了研究。他們分析了攪拌頭形狀、焊接工藝參數(shù)、材料特性等因素對(duì)材料流動(dòng)的影響，揭示了材料流動(dòng)與焊接質(zhì)量之間的關(guān)系。例如，T.N.Baker等人通過(guò)粒子示蹤法研究了2024鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的材料流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)材料在攪拌頭的作用下，呈現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)模式，包括旋轉(zhuǎn)、平移、混合等。在國(guó)內(nèi)，攪拌摩擦焊技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多高校和科研機(jī)構(gòu)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等，在攪拌摩擦焊領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一系列具有國(guó)際影響力的成果。在溫度場(chǎng)模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，對(duì)熱源模型進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。他們還利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同材料、不同厚度的鋁合金板攪拌摩擦焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。例如，趙衍華等人采用雙橢球熱源模型，對(duì)7075鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩下壓量等參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。在殘余應(yīng)力模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入研究。他們研究了殘余應(yīng)力的分布規(guī)律、產(chǎn)生機(jī)制以及對(duì)焊接接頭性能的影響，并提出了一些控制殘余應(yīng)力的方法。例如，王快社等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了2A12鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力在焊縫中心處為拉應(yīng)力，在熱影響區(qū)為壓應(yīng)力，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以有效降低殘余?yīng)力。在材料流動(dòng)模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的材料流動(dòng)行為進(jìn)行了研究。他們分析了材料流動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律，探討了材料流動(dòng)與焊接缺陷之間的關(guān)系。例如，朱海紅等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了6061鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的材料流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)材料在攪拌頭的作用下，從前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)流動(dòng)，形成了復(fù)雜的流動(dòng)軌跡，當(dāng)材料流動(dòng)不充分時(shí)，容易產(chǎn)生焊接缺陷。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者在差厚鋁合金板攪拌摩擦焊數(shù)值模擬方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。例如，在熱源模型方面，現(xiàn)有的熱源模型雖然能夠較好地模擬攪拌摩擦焊過(guò)程中的熱量產(chǎn)生和分布，但對(duì)于一些復(fù)雜的焊接情況，如攪拌頭與工件之間的接觸狀態(tài)、材料的非線性熱物理性能等，還不能準(zhǔn)確地描述。在殘余應(yīng)力模擬方面，目前的研究主要集中在焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布和大小的計(jì)算，對(duì)于殘余應(yīng)力的松弛和釋放過(guò)程以及其對(duì)焊接接頭長(zhǎng)期性能的影響研究較少。在材料流動(dòng)模擬方面，雖然已經(jīng)對(duì)材料流動(dòng)的基本規(guī)律有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于材料在復(fù)雜焊接條件下的流動(dòng)行為，如不同厚度板材的界面處材料的流動(dòng)、攪拌頭附近材料的微觀流動(dòng)等，還需要進(jìn)一步深入研究。此外，目前的數(shù)值模擬研究大多是針對(duì)單一的物理場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)于溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等多物理場(chǎng)之間的耦合作用研究還不夠深入。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文主要圍繞差厚鋁合金板攪拌摩擦焊展開(kāi)深入研究，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)模擬分析：通過(guò)建立精確的攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模型，深入研究焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布規(guī)律與變化趨勢(shì)。著重分析攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩下壓量等關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的具體影響，揭示不同參數(shù)下溫度場(chǎng)的變化特征，為后續(xù)的焊接工藝優(yōu)化提供重要的溫度場(chǎng)依據(jù)。攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力模擬分析：運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法，對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行全面模擬和深入分析。研究殘余應(yīng)力在焊接接頭中的分布情況，探討焊接工藝參數(shù)、材料特性以及結(jié)構(gòu)約束等因素對(duì)殘余應(yīng)力大小和分布的影響機(jī)制，為降低殘余應(yīng)力、提高焊接接頭質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響研究：系統(tǒng)研究攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩下壓量等焊接工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，分析不同工藝參數(shù)組合下焊接接頭的力學(xué)性能、微觀組織和缺陷產(chǎn)生情況，總結(jié)出優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)范圍，為實(shí)際生產(chǎn)中的焊接工藝選擇提供科學(xué)參考。在研究方法上，本文將采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式。在數(shù)值模擬方面，選用專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立準(zhǔn)確的攪拌摩擦焊數(shù)值模型。通過(guò)合理設(shè)置模型參數(shù)，包括材料屬性、熱源模型、邊界條件等，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，設(shè)計(jì)并開(kāi)展差厚鋁合金板攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，使用實(shí)際的攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行焊接操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，精確測(cè)量焊接過(guò)程中的溫度變化、殘余應(yīng)力分布以及焊接接頭的力學(xué)性能等參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的正確性和有效性。通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，深入揭示差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的內(nèi)在物理機(jī)制，為優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。二、攪拌摩擦焊基本原理與數(shù)值模擬基礎(chǔ)2.1攪拌摩擦焊原理攪拌摩擦焊作為一種創(chuàng)新的固相連接技術(shù)，其工作原理基于摩擦生熱和材料的塑性變形。在焊接過(guò)程中，一個(gè)特制的攪拌頭起著核心作用。攪拌頭通常由軸肩和攪拌針兩部分組成，軸肩直徑較大，與工件表面緊密接觸，攪拌針則深入工件內(nèi)部。當(dāng)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并沿著待焊工件的接縫移動(dòng)時(shí)，軸肩與工件表面之間產(chǎn)生劇烈的摩擦，這一摩擦過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。同時(shí)，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)工件內(nèi)部的材料進(jìn)行攪拌和摩擦，進(jìn)一步使材料升溫。這些熱量使焊接區(qū)域的金屬溫度升高，達(dá)到熱塑性狀態(tài)。在熱塑性狀態(tài)下，金屬原子具有較高的活性，能夠在攪拌頭的作用下發(fā)生塑性流動(dòng)。隨著攪拌頭的移動(dòng)，攪拌針前方的熱塑性金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)力作用下，被攪拌到后方。在這個(gè)過(guò)程中，金屬材料不僅發(fā)生了位置的轉(zhuǎn)移，還經(jīng)歷了強(qiáng)烈的塑性變形。軸肩的存在不僅有助于產(chǎn)生摩擦熱，還起到了限制塑性材料溢出的作用，確保焊接區(qū)域的材料能夠在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)和連接。在攪拌摩擦焊過(guò)程中，溫度場(chǎng)的分布對(duì)焊接質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。焊接區(qū)域的溫度分布不均勻，攪拌頭附近的溫度最高，遠(yuǎn)離攪拌頭的區(qū)域溫度逐漸降低。溫度的高低直接影響材料的塑性變形能力和流動(dòng)性。如果溫度過(guò)低，材料的塑性變形不足，可能導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度不夠，出現(xiàn)未焊透、孔洞等缺陷；如果溫度過(guò)高，材料可能會(huì)過(guò)熱甚至熔化，破壞材料的組織結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)降低焊接接頭的性能。因此，精確控制焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)，使其在合適的范圍內(nèi)分布，是獲得高質(zhì)量焊接接頭的關(guān)鍵。材料流動(dòng)也是攪拌摩擦焊過(guò)程中的一個(gè)重要現(xiàn)象。熱塑性金屬在攪拌頭的作用下，呈現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)模式。材料不僅在攪拌頭的軸向和徑向方向上發(fā)生流動(dòng)，還在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。這種復(fù)雜的材料流動(dòng)使得焊接區(qū)域的金屬能夠充分混合和均勻化，有利于形成致密、均勻的焊接接頭。同時(shí)，材料流動(dòng)還與焊接缺陷的產(chǎn)生密切相關(guān)。如果材料流動(dòng)不暢，可能會(huì)導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)隧道缺陷、飛邊等問(wèn)題。因此，深入研究材料流動(dòng)的規(guī)律，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，以促進(jìn)材料的良好流動(dòng)，對(duì)于提高焊接質(zhì)量具有重要意義。2.2數(shù)值模擬方法與軟件選擇在工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬研究中，有限元法、有限差分法等是常用的重要方法，它們各自具有獨(dú)特的原理和適用場(chǎng)景。有限元法的基礎(chǔ)是變分原理，其核心求解思想是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元。在每個(gè)單元內(nèi)，挑選合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，把微分方程中的變量轉(zhuǎn)化為由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式。然后，借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。這種方法能夠有效處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對(duì)非線性問(wèn)題也有較好的適應(yīng)性。例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，對(duì)于形狀不規(guī)則的零部件，有限元法可以精確地模擬其在各種載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。它通過(guò)將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散成眾多小單元，能夠細(xì)致地考慮結(jié)構(gòu)的局部特性，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的力學(xué)性能分析依據(jù)。在汽車(chē)車(chē)身的設(shè)計(jì)中，利用有限元法可以模擬車(chē)身在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布，從而優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，提高汽車(chē)的安全性。有限差分法是一種直接將微分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問(wèn)題的近似解法，是有限元法的基礎(chǔ)。它將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來(lái)代替連續(xù)的求解域。通過(guò)Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，進(jìn)而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。有限差分法在處理線性問(wèn)題和規(guī)則區(qū)域時(shí)具有較高的計(jì)算效率和精度。例如，在求解簡(jiǎn)單的熱傳導(dǎo)問(wèn)題時(shí)，對(duì)于規(guī)則形狀的物體，有限差分法能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出溫度分布。在電子芯片的散熱分析中，有限差分法可以有效地模擬芯片內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，為芯片的散熱設(shè)計(jì)提供參考。然而，對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，有限差分法的應(yīng)用會(huì)受到一定的限制。在差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬中，本文選用ABAQUS軟件作為主要的模擬工具。ABAQUS是一款功能強(qiáng)大的大型通用有限元分析軟件，在工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。其具有豐富的單元庫(kù)和材料模型庫(kù)，能夠滿足各種復(fù)雜問(wèn)題的模擬需求。在材料模型方面，ABAQUS提供了多種本構(gòu)模型，如彈性模型、塑性模型、粘彈性模型等，可以準(zhǔn)確地描述鋁合金在攪拌摩擦焊過(guò)程中的力學(xué)行為。例如，對(duì)于鋁合金材料在高溫、高應(yīng)變率下的塑性變形行為，ABAQUS的Johnson-Cook本構(gòu)模型能夠很好地進(jìn)行模擬。在攪拌摩擦焊數(shù)值模擬中，ABAQUS強(qiáng)大的非線性求解能力能夠有效處理焊接過(guò)程中的大變形、接觸非線性等復(fù)雜問(wèn)題。焊接過(guò)程中攪拌頭與工件之間的接觸狀態(tài)復(fù)雜，存在摩擦、擠壓等相互作用，ABAQUS能夠精確地模擬這種接觸非線性行為，準(zhǔn)確計(jì)算出接觸力、摩擦力等參數(shù)。此外，ABAQUS還具備良好的前后處理功能，方便用戶進(jìn)行模型的建立、參數(shù)設(shè)置以及結(jié)果的可視化分析。用戶可以通過(guò)直觀的圖形界面，方便地定義模型的幾何形狀、材料屬性、邊界條件等參數(shù)。在模擬結(jié)束后，ABAQUS能夠以多種方式展示模擬結(jié)果，如溫度場(chǎng)分布云圖、應(yīng)力應(yīng)變分布曲線等，幫助用戶深入理解焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象。綜上所述，ABAQUS軟件憑借其強(qiáng)大的功能和廣泛的適用性，為差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬提供了有力的支持，能夠準(zhǔn)確地模擬焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等物理量的變化，為研究焊接過(guò)程的內(nèi)在機(jī)制和優(yōu)化焊接工藝提供了有效的手段。2.3建立數(shù)值模型建立差厚鋁合金板攪拌摩擦焊數(shù)值模型時(shí)，需依次完成幾何模型構(gòu)建、材料參數(shù)設(shè)定、邊界條件和載荷施加等步驟，以確保模型能準(zhǔn)確反映實(shí)際焊接過(guò)程。在幾何模型構(gòu)建方面，需充分考慮焊接工件與攪拌頭的形狀、尺寸及相對(duì)位置關(guān)系。以常見(jiàn)的平板對(duì)接焊接形式為例，針對(duì)差厚鋁合金板，需精確設(shè)定薄板與厚板的厚度、長(zhǎng)度和寬度等參數(shù)。假設(shè)薄板厚度為[X1]mm，厚板厚度為[X2]mm，長(zhǎng)度均為[L]mm，寬度均為[W]mm。攪拌頭通常由軸肩和攪拌針組成，軸肩直徑設(shè)為[D1]mm，攪拌針直徑設(shè)為[D2]mm，長(zhǎng)度設(shè)為[H]mm，且攪拌針長(zhǎng)度應(yīng)略小于較厚板材的厚度，以保證攪拌針能有效作用于焊接區(qū)域，同時(shí)避免穿透板材。利用ABAQUS軟件中的建模工具，按照實(shí)際尺寸精確繪制出焊接工件和攪拌頭的三維幾何模型。在繪制過(guò)程中，需注意各部件之間的裝配關(guān)系，確保攪拌頭能準(zhǔn)確位于焊接工件的接縫處，為后續(xù)模擬提供準(zhǔn)確的幾何基礎(chǔ)。材料參數(shù)設(shè)定對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。鋁合金材料在攪拌摩擦焊過(guò)程中的力學(xué)和熱學(xué)性能會(huì)隨溫度變化而改變，因此需準(zhǔn)確設(shè)定材料的各項(xiàng)參數(shù)。在力學(xué)性能方面，需確定材料的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。例如，對(duì)于某型號(hào)鋁合金，其室溫下的彈性模量為[E]GPa，泊松比為[ν]。隨著溫度升高，材料的彈性模量會(huì)降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，可通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，獲取材料在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)，并在ABAQUS軟件的材料屬性模塊中進(jìn)行設(shè)置。在熱學(xué)性能方面，需設(shè)定材料的密度、比熱、熱導(dǎo)率等參數(shù)。該型號(hào)鋁合金的密度為[ρ]kg/m3，室溫下的比熱為[Cp]J/(kg?K)，熱導(dǎo)率為[λ]W/(m?K)。同樣，這些熱學(xué)性能參數(shù)也會(huì)隨溫度變化，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或相關(guān)研究成果，準(zhǔn)確設(shè)定材料在不同溫度范圍內(nèi)的熱學(xué)性能參數(shù)。此外，由于攪拌摩擦焊過(guò)程中材料經(jīng)歷大變形，還需選擇合適的本構(gòu)模型來(lái)描述材料的力學(xué)行為，如常用的Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型能考慮應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取模型中的相關(guān)參數(shù)，如材料常數(shù)、應(yīng)變率敏感系數(shù)、溫度敏感系數(shù)等，并在軟件中進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。邊界條件和載荷施加是模擬焊接過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在邊界條件設(shè)定方面，為模擬實(shí)際焊接情況，通常將焊接工件的底部和側(cè)面進(jìn)行固定約束，限制其在X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在ABAQUS軟件中，通過(guò)在模型的相應(yīng)邊界上定義位移約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的固定。例如，在工件底部的所有節(jié)點(diǎn)上，約束其X、Y、Z方向的位移為0；在工件側(cè)面的節(jié)點(diǎn)上，同樣約束其相應(yīng)方向的位移為0。對(duì)于攪拌頭，需定義其旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)邊界條件。在攪拌頭的參考點(diǎn)上，施加繞其自身軸線的旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)為[ω]rad/s，同時(shí)根據(jù)焊接工藝設(shè)定其沿焊接方向的移動(dòng)速度，設(shè)為[v]mm/s。在載荷施加方面，攪拌頭在旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)工件施加壓力和摩擦力。壓力可根據(jù)實(shí)際焊接工藝中的軸肩下壓量進(jìn)行換算得到，在模型中通過(guò)在攪拌頭與工件接觸的表面上施加均布?jí)毫?lái)模擬。摩擦力則根據(jù)庫(kù)侖摩擦定律進(jìn)行計(jì)算，摩擦系數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)或參考相關(guān)文獻(xiàn)確定，設(shè)為[μ]。在ABAQUS軟件中，通過(guò)定義接觸屬性，設(shè)置攪拌頭與工件之間的摩擦系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的模擬。此外，由于攪拌摩擦焊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，還需考慮熱邊界條件。通常假設(shè)工件與周?chē)h(huán)境之間存在熱對(duì)流和熱輻射，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定熱對(duì)流系數(shù)和熱輻射率。在軟件中，通過(guò)在工件表面定義熱對(duì)流和熱輻射邊界條件，模擬熱量向周?chē)h(huán)境的散失。通過(guò)合理設(shè)定邊界條件和載荷，使數(shù)值模型能真實(shí)反映攪拌摩擦焊過(guò)程中的力學(xué)和熱學(xué)行為。三、差厚鋁合金板攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬3.1熱源模型建立攪拌摩擦焊過(guò)程中的熱源主要來(lái)源于攪拌頭與工件之間的摩擦生熱以及工件材料的塑性變形產(chǎn)熱。摩擦生熱是攪拌摩擦焊熱源的重要組成部分。攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并與工件表面緊密接觸，軸肩與工件表面、攪拌針與工件內(nèi)部材料之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力會(huì)使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)摩擦生熱理論，摩擦生熱的功率與摩擦力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比。在攪拌頭軸肩部位，由于軸肩與工件表面的接觸面積較大，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高，因此軸肩與工件表面之間產(chǎn)生的摩擦熱較為顯著。在攪拌針部位，攪拌針與工件內(nèi)部材料的摩擦也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，但由于攪拌針的直徑相對(duì)較小，接觸面積有限，其摩擦生熱的功率相對(duì)軸肩部位會(huì)小一些。塑性變形產(chǎn)熱是攪拌摩擦焊熱源的另一個(gè)重要來(lái)源。在攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接區(qū)域的金屬在攪拌頭的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。這種塑性變形過(guò)程中，金屬內(nèi)部的晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部的能量增加，產(chǎn)生塑性變形熱。塑性變形產(chǎn)熱與材料的塑性變形程度、應(yīng)變率以及材料的力學(xué)性能密切相關(guān)。當(dāng)材料的塑性變形程度越大、應(yīng)變率越高時(shí)，塑性變形產(chǎn)熱就越多。同時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、硬化特性等力學(xué)性能也會(huì)影響塑性變形產(chǎn)熱的大小。例如，對(duì)于屈服強(qiáng)度較高的鋁合金材料，在相同的塑性變形條件下，其塑性變形產(chǎn)熱會(huì)比屈服強(qiáng)度較低的材料更多。在攪拌摩擦焊數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確描述熱源的分布和熱輸入是模擬溫度場(chǎng)的關(guān)鍵。目前，常用的熱源模型有多種，其中雙橢球熱源模型在攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)模擬中得到了廣泛應(yīng)用。雙橢球熱源模型將熱源分為前半橢球和后半橢球兩部分，分別描述攪拌頭前方和后方的熱輸入分布。其表達(dá)式為：q(x,y,z,t)=\begin{cases}\frac{6\sqrt{3}f_{f}Q}{\pia_{1}b_{1}c_{1}}\exp\left(-\frac{3x^{2}}{a_{1}^{2}}-\frac{3y^{2}}{b_{1}^{2}}-\frac{3z^{2}}{c_{1}^{2}}\right)&\text{for}x\geq0\\\frac{6\sqrt{3}f_{r}Q}{\pia_{2}b_{2}c_{2}}\exp\left(-\frac{3x^{2}}{a_{2}^{2}}-\frac{3y^{2}}{b_{2}^{2}}-\frac{3z^{2}}{c_{2}^{2}}\right)&\text{for}x<0\end{cases}其中，q(x,y,z,t)表示熱源在空間位置(x,y,z)和時(shí)刻t的熱流密度；Q為總的熱輸入功率，與攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩下壓量以及材料特性等因素有關(guān)，可通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量得到；a_{1}、b_{1}、c_{1}和a_{2}、b_{2}、c_{2}分別為前半橢球和后半橢球在x、y、z方向上的半軸長(zhǎng)度，它們反映了熱源在不同方向上的分布范圍，可根據(jù)攪拌頭的形狀和尺寸以及焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；f_{f}和f_{r}分別為前半橢球和后半橢球的熱流比例系數(shù)，且f_{f}+f_{r}=1，其取值通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)確定，用于調(diào)整前后半橢球的熱輸入比例，以更好地模擬攪拌頭前后不同的熱輸入情況。然而，對(duì)于差厚鋁合金板攪拌摩擦焊，由于板材厚度的差異，傳統(tǒng)的雙橢球熱源模型可能無(wú)法準(zhǔn)確描述其熱源分布和熱輸入情況。在差厚鋁合金板焊接中，厚板和薄板在相同的熱輸入下，溫度響應(yīng)會(huì)有很大不同。厚板由于熱容量較大，升溫相對(duì)較慢，而薄板熱容量小，升溫較快。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的雙橢球熱源模型進(jìn)行改進(jìn)。一種改進(jìn)思路是根據(jù)板材的厚度差異，分別調(diào)整雙橢球熱源模型在厚板和薄板區(qū)域的參數(shù)。例如，對(duì)于厚板區(qū)域，可以適當(dāng)增大熱源模型中在厚度方向上的半軸長(zhǎng)度，以增加厚板區(qū)域的熱輸入，使其能夠更好地反映厚板在焊接過(guò)程中的溫度變化；對(duì)于薄板區(qū)域，則相應(yīng)減小在厚度方向上的半軸長(zhǎng)度，避免薄板區(qū)域過(guò)熱。同時(shí)，還可以根據(jù)厚板和薄板的材料特性，調(diào)整熱流比例系數(shù)f_{f}和f_{r}，以更準(zhǔn)確地模擬不同厚度板材在攪拌摩擦焊過(guò)程中的熱源分布和熱輸入情況。通過(guò)這種改進(jìn)，可以使雙橢球熱源模型更適合差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)模擬，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析在完成差厚鋁合金板攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模型的建立與熱源模型的設(shè)定后，通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到了不同焊接參數(shù)下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，以下將對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。3.2.1攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響在保持焊接速度為[V1]mm/min、軸肩下壓量為[δ1]mm等其他參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω1]rad/s、[ω2]rad/s、[ω3]rad/s進(jìn)行模擬。從模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)分布云圖（圖1）可以清晰地看出，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，焊接區(qū)域的整體溫度顯著升高。這是因?yàn)閿嚢桀^轉(zhuǎn)速越高，攪拌頭與工件之間的摩擦作用越劇烈，摩擦生熱功率大幅增加。根據(jù)摩擦生熱公式Q=??Fv（其中Q為摩擦生熱功率，??為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為接觸壓力，v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度），攪拌頭轉(zhuǎn)速增大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v增大，從而使摩擦生熱功率Q增大。同時(shí)，攪拌針與工件內(nèi)部材料的攪拌作用也更加充分，塑性變形產(chǎn)熱也相應(yīng)增多。在圖1（a）中，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω1]rad/s時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度為[T1]℃，高溫區(qū)域主要集中在攪拌頭附近較小的范圍內(nèi)；而在圖1（c）中，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速增加到[ω3]rad/s時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度升高至[T3]℃，且高溫區(qū)域明顯擴(kuò)大，向周?chē)鷶U(kuò)散。通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下焊接區(qū)域溫度分布曲線（圖2）的進(jìn)一步分析可知，攪拌頭轉(zhuǎn)速的變化不僅影響溫度的高低，還對(duì)溫度分布的均勻性產(chǎn)生影響。在攪拌頭轉(zhuǎn)速較低時(shí)，溫度分布相對(duì)較為陡峭，從攪拌頭中心到周?chē)鷧^(qū)域的溫度梯度較大。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，溫度分布曲線變得相對(duì)平緩，溫度梯度有所減小。這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速下，攪拌頭的攪拌作用使熱量能夠更均勻地傳遞到周?chē)牧现?，促進(jìn)了材料的熱擴(kuò)散。在圖2中，曲線[ω1]對(duì)應(yīng)的溫度梯度較大，而曲線[ω3]對(duì)應(yīng)的溫度梯度較小。此外，從溫度分布曲線還可以看出，在攪拌頭后方一定距離處，溫度出現(xiàn)了一個(gè)峰值，這是由于攪拌頭攪拌后的材料在后方堆積，熱量積聚導(dǎo)致。并且隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，該峰值溫度也逐漸升高。3.2.2焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響固定攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω4]rad/s、軸肩下壓量為[δ1]mm，將焊接速度分別設(shè)定為[V2]mm/min、[V3]mm/min、[V4]mm/min進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示，焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響與攪拌頭轉(zhuǎn)速的影響相反。隨著焊接速度的增加，焊接區(qū)域的溫度逐漸降低。這是因?yàn)楹附铀俣仍娇?，攪拌頭在單位長(zhǎng)度焊縫上停留的時(shí)間越短，輸入到工件的熱量越少。根據(jù)熱輸入公式q=P/v（其中q為單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入，P為熱輸入功率，v為焊接速度），當(dāng)焊接速度v增大時(shí)，單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入q減小。在圖3（a）中，當(dāng)焊接速度為[V2]mm/min時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度為[T4]℃；在圖3（c）中，當(dāng)焊接速度提高到[V4]mm/min時(shí)，最高溫度降至[T6]℃。觀察不同焊接速度下的溫度分布曲線（圖4），可以發(fā)現(xiàn)焊接速度對(duì)溫度分布的均勻性也有影響。隨著焊接速度的增加，溫度分布曲線的斜率增大，即溫度梯度增大。這是因?yàn)樵诟吆附铀俣认?，熱量?lái)不及充分?jǐn)U散，導(dǎo)致溫度在短距離內(nèi)變化迅速。在圖4中，曲線[V4]對(duì)應(yīng)的溫度梯度明顯大于曲線[V2]。此外，焊接速度的變化還會(huì)影響熱影響區(qū)的范圍。焊接速度越快，熱影響區(qū)的范圍越小。這是因?yàn)樵诟吆附铀俣认?，材料受熱時(shí)間短，熱量傳播距離有限，從而使熱影響區(qū)范圍縮小。在圖3中，可以直觀地看到隨著焊接速度的增加，熱影響區(qū)的顏色區(qū)域逐漸變窄。3.2.3綜合影響分析在實(shí)際的攪拌摩擦焊過(guò)程中，攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度通常是相互配合的，它們的綜合作用對(duì)溫度場(chǎng)的影響更為復(fù)雜。通過(guò)多組不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度組合的模擬分析，得到了一系列溫度場(chǎng)分布結(jié)果。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較高且焊接速度較低時(shí)，焊接區(qū)域能夠獲得較高的溫度，且溫度分布相對(duì)較為均勻。這種情況下，攪拌頭與工件之間的摩擦生熱和塑性變形產(chǎn)熱較多，同時(shí)由于焊接速度慢，熱量有足夠的時(shí)間向周?chē)鷶U(kuò)散。例如，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω5]rad/s，焊接速度為[V5]mm/min時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度達(dá)到[T7]℃，高溫區(qū)域范圍較大，溫度梯度較小，有利于材料的充分塑性變形和均勻混合，能夠獲得較好的焊接質(zhì)量。然而，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速過(guò)高且焊接速度過(guò)低時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)域溫度過(guò)高，材料過(guò)熱甚至熔化，從而產(chǎn)生焊接缺陷。相反，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較低且焊接速度較高時(shí)，焊接區(qū)域溫度較低，材料的塑性變形不足，可能會(huì)出現(xiàn)未焊透、孔洞等缺陷。因此，在實(shí)際焊接過(guò)程中，需要根據(jù)材料的特性、板材的厚度等因素，合理選擇攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度的組合，以獲得理想的溫度場(chǎng)分布和焊接質(zhì)量。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)組合的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以確定出針對(duì)特定差厚鋁合金板的最佳焊接工藝參數(shù)范圍，為實(shí)際生產(chǎn)提供有力的指導(dǎo)。3.3溫度場(chǎng)對(duì)焊接質(zhì)量的影響攪拌摩擦焊過(guò)程中，溫度場(chǎng)的分布狀況對(duì)焊接質(zhì)量起著決定性作用，它與焊接接頭的性能、殘余應(yīng)力以及焊接缺陷的產(chǎn)生密切相關(guān)。在熱影響區(qū)性能方面，溫度場(chǎng)的不均勻會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)材料的組織和性能發(fā)生顯著變化。焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)，不同區(qū)域的溫度峰值和冷卻速度各不相同。在高溫區(qū)域，材料發(fā)生再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等微觀組織變化，這會(huì)顯著影響材料的力學(xué)性能。例如，當(dāng)熱影響區(qū)的溫度過(guò)高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料的硬度、強(qiáng)度和韌性下降。研究表明，對(duì)于某些鋁合金，熱影響區(qū)的硬度可能會(huì)降低20%-30%，這會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭的整體性能。同時(shí)，熱影響區(qū)的微觀組織變化還可能導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能下降，在腐蝕環(huán)境下，焊接接頭更容易發(fā)生腐蝕失效。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與溫度場(chǎng)密切相關(guān)。在攪拌摩擦焊過(guò)程中，由于焊接區(qū)域的溫度分布不均勻，不同部位的材料膨脹和收縮程度不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)焊接結(jié)束后，材料冷卻至室溫，這些熱應(yīng)力無(wú)法完全釋放，就會(huì)殘留在焊件內(nèi)部，形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)焊件的性能產(chǎn)生不利影響，它可能導(dǎo)致焊件在使用過(guò)程中發(fā)生變形，影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和穩(wěn)定性。在承受載荷時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)與外加應(yīng)力疊加，增加焊件發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，降低焊件的疲勞壽命。例如，在航空航天領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力可能會(huì)在飛行器的服役過(guò)程中，由于振動(dòng)、溫度變化等因素的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，從而危及飛行安全。焊接缺陷的形成也與溫度場(chǎng)密切相關(guān)。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致材料熔化不完全，從而產(chǎn)生未焊透、孔洞等缺陷。當(dāng)焊接區(qū)域的溫度過(guò)高時(shí)，材料可能會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，晶界弱化，容易產(chǎn)生裂紋。此外，溫度場(chǎng)的不均勻還可能導(dǎo)致材料流動(dòng)不暢，在焊縫中形成隧道缺陷、飛邊等問(wèn)題。例如，在攪拌摩擦焊過(guò)程中，如果攪拌頭附近的溫度過(guò)高，而遠(yuǎn)離攪拌頭的區(qū)域溫度過(guò)低，會(huì)使材料的塑性變形不均勻，導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)孔洞和未焊透缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，如調(diào)整攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度和軸肩下壓量等，可以改善溫度場(chǎng)的分布，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)，采用合適的預(yù)熱和后熱措施，也有助于降低溫度梯度，減少殘余應(yīng)力和焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。四、差厚鋁合金板攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬4.1殘余應(yīng)力模擬方法在差厚鋁合金板攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力模擬中，熱彈塑性法和固有應(yīng)變法是兩種常用的重要方法，它們各自基于獨(dú)特的原理，在模擬過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。熱彈塑性法的核心原理基于熱彈塑性理論，該理論充分考慮材料在加熱和冷卻過(guò)程中彈性與塑性變形的相互作用。在攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接區(qū)域的材料經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，溫度的變化導(dǎo)致材料發(fā)生熱膨脹和收縮。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料膨脹，由于受到周?chē)蜏夭牧系募s束，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形。隨著溫度的降低，材料收縮，塑性變形部分無(wú)法完全恢復(fù)，從而在焊件內(nèi)部留下殘余應(yīng)力。熱彈塑性法通過(guò)建立熱-力耦合模型，將熱傳導(dǎo)方程與力學(xué)平衡方程聯(lián)立求解，能夠精確地描述焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的相互作用。在ABAQUS軟件中，利用其豐富的材料模型和強(qiáng)大的求解器，可以方便地實(shí)現(xiàn)熱彈塑性法的模擬。例如，通過(guò)定義材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度等隨溫度變化的參數(shù)，以及設(shè)置合適的邊界條件和載荷，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出焊接過(guò)程中不同時(shí)刻的殘余應(yīng)力分布。熱彈塑性法適用于對(duì)焊接過(guò)程中殘余應(yīng)力的詳細(xì)分析，能夠考慮多種因素對(duì)殘余應(yīng)力的影響，如焊接工藝參數(shù)、材料特性、結(jié)構(gòu)約束等。然而，該方法的計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求較高，且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。固有應(yīng)變法是另一種重要的殘余應(yīng)力模擬方法，它由日本學(xué)者上田幸雄提出。固有應(yīng)變可以理解為經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，殘留在物體中的引起物體殘余應(yīng)力和變形的應(yīng)變，也有的學(xué)者把它稱(chēng)之為殘余塑變。該方法的基本思想是忽略整個(gè)焊接熱循環(huán)過(guò)程，直接將固有應(yīng)變施加于結(jié)構(gòu)單元上，通過(guò)一次彈性計(jì)算就可得到焊接殘余應(yīng)力和變形。在差厚鋁合金板攪拌摩擦焊中，固有應(yīng)變法首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法獲取焊接過(guò)程中的固有應(yīng)變分布。例如，可以采用熱彈塑性有限元法對(duì)簡(jiǎn)單的焊接模型進(jìn)行模擬，得到焊接過(guò)程中的應(yīng)變分布，從中提取出固有應(yīng)變。然后，將固有應(yīng)變作為初始條件施加到差厚鋁合金板的結(jié)構(gòu)模型中，利用有限元軟件進(jìn)行彈性分析，計(jì)算出殘余應(yīng)力。固有應(yīng)變法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，計(jì)算時(shí)間短，能夠快速預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力和變形。它適用于對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行初步分析，為焊接工藝的優(yōu)化提供參考。然而，固有應(yīng)變法的精度相對(duì)較低，因?yàn)樗雎粤撕附訜嵫h(huán)過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)，如溫度場(chǎng)的分布、材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化等。在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)固有應(yīng)變法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正和驗(yàn)證。4.2殘余應(yīng)力模擬結(jié)果分析利用熱彈塑性法和ABAQUS軟件，對(duì)差厚鋁合金板攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬，得到了不同焊接參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布結(jié)果，以下將從橫向、縱向和厚度方向?qū)堄鄳?yīng)力分布規(guī)律展開(kāi)詳細(xì)分析。4.2.1橫向殘余應(yīng)力分布在保持焊接速度為[V6]mm/min、軸肩下壓量為[δ2]mm的條件下，選取攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為[ω6]rad/s、[ω7]rad/s、[ω8]rad/s進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱(chēng)分布。在前進(jìn)側(cè)，橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且在靠近焊縫中心的區(qū)域，壓應(yīng)力數(shù)值較大。隨著與焊縫中心距離的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，在一定距離處，壓應(yīng)力趨近于零。在后退側(cè)，橫向殘余應(yīng)力同樣為壓應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)前進(jìn)側(cè)較小。并且，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，橫向殘余應(yīng)力的絕對(duì)值整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)閿嚢桀^轉(zhuǎn)速增加，焊接過(guò)程中的熱輸入和攪拌作用增強(qiáng)，導(dǎo)致材料的塑性變形更加劇烈，從而在橫向方向上產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。在圖5中，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω6]rad/s時(shí)，前進(jìn)側(cè)靠近焊縫中心處的橫向殘余應(yīng)力為[-σ1]MPa，而后退側(cè)相應(yīng)位置的橫向殘余應(yīng)力為[-σ2]MPa；當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速提高到[ω8]rad/s時(shí)，前進(jìn)側(cè)橫向殘余應(yīng)力增大至[-σ3]MPa，后退側(cè)增大至[-σ4]MPa。4.2.2縱向殘余應(yīng)力分布固定攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω9]rad/s、軸肩下壓量為[δ2]mm，改變焊接速度分別為[V7]mm/min、[V8]mm/min、[V9]mm/min進(jìn)行模擬?？v向殘余應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向分布，在焊縫中心區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且數(shù)值較大。從焊縫中心向兩側(cè)，拉應(yīng)力逐漸減小，在熱影響區(qū)與母材交界處，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。隨著焊接速度的增加，縱向殘余應(yīng)力的峰值略有降低。這是因?yàn)楹附铀俣燃涌?，單位長(zhǎng)度焊縫上的熱輸入減少，材料的塑性變形程度降低，從而導(dǎo)致縱向殘余應(yīng)力減小。在圖6中，當(dāng)焊接速度為[V7]mm/min時(shí)，焊縫中心處的縱向殘余應(yīng)力為[σ5]MPa；當(dāng)焊接速度提高到[V9]mm/min時(shí)，焊縫中心處的縱向殘余應(yīng)力降低至[σ6]MPa。此外，縱向殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)也呈現(xiàn)出一定的不對(duì)稱(chēng)性，后退側(cè)的殘余應(yīng)力相對(duì)前進(jìn)側(cè)略高。這是由于攪拌頭在焊接過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，使得后退側(cè)的材料受到的攪拌和擠壓作用相對(duì)較強(qiáng)，從而產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。4.2.3厚度方向殘余應(yīng)力分布在攪拌頭轉(zhuǎn)速為[ω10]rad/s、焊接速度為[V10]mm/min、軸肩下壓量為[δ2]mm的條件下，對(duì)厚度方向殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，厚度方向殘余應(yīng)力在板厚方向上的分布較為復(fù)雜。在靠近焊縫上表面（軸肩作用區(qū)域），殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，在某一深度處，殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。繼續(xù)向板厚方向深入，拉應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到最大值后又逐漸減小，在靠近焊縫下表面處，殘余應(yīng)力再次變?yōu)閴簯?yīng)力。這種分布規(guī)律與焊接過(guò)程中材料的受熱和塑性變形情況密切相關(guān)。在軸肩作用區(qū)域，材料受到軸肩的擠壓，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。隨著深度的增加，材料受到的攪拌和擠壓作用逐漸減弱，熱輸入也相對(duì)減少，使得殘余應(yīng)力逐漸變化。在焊縫中心區(qū)域，由于材料的塑性變形和熱應(yīng)力的綜合作用，產(chǎn)生了拉應(yīng)力。而在靠近焊縫下表面處，由于材料受到的約束較小，且冷卻速度較快，導(dǎo)致殘余應(yīng)力再次變?yōu)閴簯?yīng)力。此外，軸肩下壓量的變化對(duì)厚度方向殘余應(yīng)力分布也有一定影響。當(dāng)軸肩下壓量增大時(shí)，焊縫上表面的壓應(yīng)力增大，且拉應(yīng)力區(qū)域的范圍和數(shù)值也會(huì)相應(yīng)增加。這是因?yàn)檩S肩下壓量增大，軸肩對(duì)材料的擠壓作用增強(qiáng)，使得材料的塑性變形更加充分，從而影響了厚度方向殘余應(yīng)力的分布。4.3殘余應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量的影響殘余應(yīng)力的存在對(duì)差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量產(chǎn)生多方面的顯著影響，這些影響涵蓋了焊接結(jié)構(gòu)的變形、裂紋萌生與擴(kuò)展、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵領(lǐng)域。在焊接結(jié)構(gòu)變形方面，殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的重要因素。由于焊接過(guò)程中殘余應(yīng)力在焊件內(nèi)部分布不均勻，不同部位受到的應(yīng)力大小和方向各異。例如，在焊縫區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力通常表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而在熱影響區(qū)可能存在壓應(yīng)力。這種應(yīng)力的不均勻分布會(huì)使焊件各部分產(chǎn)生不同程度的變形。當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，焊件就會(huì)發(fā)生塑性變形。在實(shí)際應(yīng)用中，焊接結(jié)構(gòu)的變形可能導(dǎo)致其尺寸精度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，影響零部件之間的裝配精度。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)機(jī)身的焊接結(jié)構(gòu)如果出現(xiàn)變形，可能會(huì)影響飛機(jī)的氣動(dòng)性能，增加飛行阻力，降低飛行效率。在汽車(chē)制造中，焊接結(jié)構(gòu)的變形可能導(dǎo)致車(chē)身部件之間的配合不良，影響汽車(chē)的外觀和安全性。裂紋萌生與擴(kuò)展是殘余應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量影響的另一個(gè)重要方面。殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)顯著增加焊接接頭中裂紋萌生和擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)焊接接頭受到外部載荷作用時(shí)，殘余拉應(yīng)力會(huì)與外加應(yīng)力疊加，使焊接接頭局部的應(yīng)力水平超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，從而導(dǎo)致裂紋的萌生。一旦裂紋形成，在殘余拉應(yīng)力和循環(huán)載荷的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展。例如，在疲勞載荷作用下，殘余拉應(yīng)力會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展速率，降低焊接接頭的疲勞壽命。研究表明，殘余拉應(yīng)力可使焊接接頭的疲勞壽命降低30%-50%。在一些承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)中，如橋梁、起重機(jī)等，焊接接頭中的裂紋擴(kuò)展可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然失效，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂也是殘余應(yīng)力引發(fā)的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。在腐蝕性環(huán)境中，殘余應(yīng)力會(huì)與腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用，加速焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程。鋁合金材料在含有氯離子等腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，殘余應(yīng)力會(huì)使材料表面的保護(hù)膜局部破裂，形成腐蝕微電池。在殘余應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，微電池不斷發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。例如，在海洋環(huán)境中，船舶的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)容易受到海水的腐蝕，殘余應(yīng)力的存在會(huì)使焊接接頭更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常具有隱蔽性，在裂紋擴(kuò)展初期不易被察覺(jué)，一旦裂紋擴(kuò)展到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。殘余應(yīng)力還會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。對(duì)于一些承受壓縮載荷或彎曲載荷的焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力的存在可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)載荷。當(dāng)結(jié)構(gòu)所受的外載荷達(dá)到一定程度時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)使結(jié)構(gòu)局部提前進(jìn)入塑性狀態(tài)，降低結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)變形。在建筑結(jié)構(gòu)中，一些焊接鋼梁如果存在較大的殘余應(yīng)力，在承受自重和外部荷載時(shí)，可能會(huì)發(fā)生局部屈曲或整體失穩(wěn)，影響結(jié)構(gòu)的安全性。在大型儲(chǔ)罐等焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)或使用過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。五、工藝參數(shù)對(duì)差厚鋁合金板攪拌摩擦焊的影響5.1攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的影響攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度是差厚鋁合金板攪拌摩擦焊中極為關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及焊接接頭的力學(xué)性能均有著顯著且復(fù)雜的影響。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接區(qū)域的溫度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。在數(shù)值模擬中，當(dāng)保持焊接速度、軸肩下壓量等其他參數(shù)不變，逐步提高攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，模擬結(jié)果清晰地顯示出焊接區(qū)域的整體溫度顯著升高。這是因?yàn)閿嚢桀^旋轉(zhuǎn)速度的增加，使得攪拌頭與工件之間的摩擦作用急劇增強(qiáng)。根據(jù)摩擦生熱原理，摩擦生熱功率與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增大，其與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度顯著提高，從而導(dǎo)致摩擦生熱功率大幅增加。同時(shí)，攪拌針與工件內(nèi)部材料的攪拌作用也更加劇烈，使得材料的塑性變形更加充分，塑性變形產(chǎn)熱也相應(yīng)增多。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，利用熱電偶等溫度測(cè)量設(shè)備對(duì)焊接過(guò)程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也驗(yàn)證了這一結(jié)論。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度從[ω1]rad/s提高到[ω2]rad/s時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度從[T1]℃升高至[T2]℃。這種溫度的變化對(duì)殘余應(yīng)力有著重要影響。隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接過(guò)程中的熱輸入和攪拌作用增強(qiáng)，材料的塑性變形更加劇烈。在橫向殘余應(yīng)力方面，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在前進(jìn)側(cè)，橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，壓應(yīng)力數(shù)值增大。在后退側(cè)，橫向殘余應(yīng)力同樣為壓應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)前進(jìn)側(cè)較小，且也隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。在縱向殘余應(yīng)力方面，在焊縫中心區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加會(huì)使拉應(yīng)力的數(shù)值有所增大。這是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致材料的熱膨脹和收縮更加明顯，在焊接過(guò)程中，不同部位的材料由于熱膨脹和收縮程度不一致，產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，當(dāng)焊接結(jié)束后，這些熱應(yīng)力無(wú)法完全釋放，從而形成了殘余應(yīng)力。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能也有著重要影響。在拉伸強(qiáng)度方面，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，焊接區(qū)域的溫度相對(duì)較低，材料的塑性變形不足，焊接接頭的強(qiáng)度較低。隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接區(qū)域的溫度升高，材料的塑性變形更加充分，焊接接頭的強(qiáng)度逐漸提高。然而，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高時(shí)，焊接區(qū)域的溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)熱，晶粒長(zhǎng)大，從而使焊接接頭的強(qiáng)度下降。在彎曲性能方面，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的變化會(huì)影響焊接接頭的塑性和韌性。適當(dāng)提高攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，能夠改善焊接接頭的彎曲性能，使其在彎曲過(guò)程中不易發(fā)生斷裂。但如果攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高，材料過(guò)熱，會(huì)降低焊接接頭的塑性和韌性，導(dǎo)致彎曲性能變差。在對(duì)6061鋁合金差厚板攪拌摩擦焊的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為[ω3]rad/s時(shí)，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值[σmax]MPa，彎曲角度達(dá)到[θmax]°；當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)提高到[ω4]rad/s時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降至[σmin]MPa，彎曲角度減小至[θmin]°。5.2焊接速度的影響焊接速度是差厚鋁合金板攪拌摩擦焊過(guò)程中另一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，對(duì)焊接質(zhì)量有著多方面的重要影響，涵蓋溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及焊接接頭的力學(xué)性能等領(lǐng)域。通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，焊接速度與焊接區(qū)域的溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在數(shù)值模擬中，當(dāng)固定攪拌頭轉(zhuǎn)速、軸肩下壓量等其他參數(shù)，逐步提高焊接速度時(shí)，模擬結(jié)果清晰地顯示出焊接區(qū)域的溫度逐漸降低。這主要是因?yàn)楹附铀俣仍娇?，攪拌頭在單位長(zhǎng)度焊縫上停留的時(shí)間越短，輸入到工件的熱量也就越少。根據(jù)熱輸入公式q=P/v（其中q為單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入，P為熱輸入功率，v為焊接速度），隨著焊接速度v的增大，單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入q相應(yīng)減小。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用紅外測(cè)溫儀等設(shè)備對(duì)焊接過(guò)程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同樣驗(yàn)證了這一結(jié)論。當(dāng)焊接速度從[V11]mm/min提高到[V12]mm/min時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度從[T8]℃降低至[T9]℃。焊接速度的變化對(duì)殘余應(yīng)力也有著重要影響。隨著焊接速度的增加，焊接過(guò)程中的熱輸入減少，材料的塑性變形程度降低。在橫向殘余應(yīng)力方面，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)，橫向殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨著焊接速度的增加，橫向殘余應(yīng)力的絕對(duì)值整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在縱向殘余應(yīng)力方面，在焊縫中心區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，焊接速度的增加會(huì)使拉應(yīng)力的數(shù)值略有降低。這是因?yàn)闊彷斎霚p少，材料的熱膨脹和收縮程度減弱，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力相應(yīng)減小，當(dāng)焊接結(jié)束后，形成的殘余應(yīng)力也隨之減小。焊接速度對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能同樣有著不可忽視的影響。在拉伸強(qiáng)度方面，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，焊接區(qū)域能夠獲得較多的熱量，材料的塑性變形充分，焊接接頭的強(qiáng)度相對(duì)較高。隨著焊接速度的增加，焊接區(qū)域的溫度降低，材料的塑性變形不足，焊接接頭的強(qiáng)度逐漸下降。在彎曲性能方面，焊接速度的變化會(huì)影響焊接接頭的塑性和韌性。適當(dāng)提高焊接速度，能夠使焊接接頭的組織更加均勻，從而改善其彎曲性能。但如果焊接速度過(guò)高，材料的塑性變形不充分，會(huì)降低焊接接頭的塑性和韌性，導(dǎo)致彎曲性能變差。在對(duì)5052鋁合金差厚板攪拌摩擦焊的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)焊接速度為[V13]mm/min時(shí)，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值[σmax2]MPa，彎曲角度達(dá)到[θmax2]°；當(dāng)焊接速度繼續(xù)提高到[V14]mm/min時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降至[σmin2]MPa，彎曲角度減小至[θmin2]°。綜合考慮焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和焊接接頭力學(xué)性能的影響，在實(shí)際焊接過(guò)程中，需要根據(jù)鋁合金板材的厚度、材質(zhì)以及具體的焊接要求，合理選擇焊接速度。對(duì)于較厚的鋁合金板材，由于其熱容量較大，需要適當(dāng)降低焊接速度，以保證足夠的熱輸入，使材料能夠充分塑性變形，實(shí)現(xiàn)良好的焊接連接。而對(duì)于較薄的鋁合金板材，為了避免過(guò)熱和變形過(guò)大，可以適當(dāng)提高焊接速度。此外，還需要結(jié)合攪拌頭轉(zhuǎn)速、軸肩下壓量等其他工藝參數(shù)，進(jìn)行綜合優(yōu)化，以獲得最佳的焊接質(zhì)量。通過(guò)大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，可以確定針對(duì)不同差厚鋁合金板的最佳焊接速度范圍，為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)。例如，對(duì)于某型號(hào)的差厚鋁合金板，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度在[V15]-[V16]mm/min范圍內(nèi)時(shí)，能夠獲得較好的焊接質(zhì)量，焊接接頭的力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。5.3攪拌頭直徑的影響攪拌頭直徑是差厚鋁合金板攪拌摩擦焊工藝中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其大小對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及焊接質(zhì)量有著顯著且復(fù)雜的影響。從溫度場(chǎng)的角度來(lái)看，攪拌頭直徑的變化會(huì)直接影響焊接區(qū)域的熱量產(chǎn)生和分布。當(dāng)攪拌頭直徑增大時(shí)，攪拌頭與工件的接觸面積相應(yīng)增加，根據(jù)摩擦生熱原理，摩擦生熱功率與接觸面積和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，在攪拌頭轉(zhuǎn)速不變的情況下，接觸面積的增大使得摩擦生熱功率增大，從而使焊接區(qū)域的整體溫度升高。在數(shù)值模擬中，當(dāng)攪拌頭直徑從[D3]mm增大到[D4]mm時(shí)，焊接區(qū)域的最高溫度從[T10]℃升高至[T11]℃。同時(shí)，由于攪拌頭直徑的增大，攪拌針能夠更深入地?cái)嚢韫ぜ?nèi)部材料，使材料的塑性變形更加充分，塑性變形產(chǎn)熱也會(huì)增加，進(jìn)一步提升了焊接區(qū)域的溫度。此外，攪拌頭直徑的增大還會(huì)使熱量分布更加均勻。較大直徑的攪拌頭在旋轉(zhuǎn)和攪拌過(guò)程中，能夠?qū)崃扛鼜V泛地傳遞到周?chē)牧现?，減小溫度梯度。在模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)分布云圖中可以清晰地看到，當(dāng)攪拌頭直徑較小時(shí)，高溫區(qū)域主要集中在攪拌頭附近較小的范圍內(nèi)，溫度梯度較大；而當(dāng)攪拌頭直徑增大后，高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大，溫度梯度明顯減小。攪拌頭直徑對(duì)殘余應(yīng)力也有著重要影響。隨著攪拌頭直徑的增大，焊接過(guò)程中的熱輸入和攪拌作用增強(qiáng)，材料的塑性變形更加劇烈。在橫向殘余應(yīng)力方面，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)，橫向殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨著攪拌頭直徑的增大，橫向殘余應(yīng)力的絕對(duì)值整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在縱向殘余應(yīng)力方面，在焊縫中心區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，攪拌頭直徑的增大同樣會(huì)使拉應(yīng)力的數(shù)值有所增大。這是因?yàn)闇囟壬吆蛿嚢枳饔迷鰪?qiáng)導(dǎo)致材料的熱膨脹和收縮更加明顯，在焊接過(guò)程中，不同部位的材料由于熱膨脹和收縮程度不一致，產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，當(dāng)焊接結(jié)束后，這些熱應(yīng)力無(wú)法完全釋放，從而形成了殘余應(yīng)力。在焊接質(zhì)量方面，攪拌頭直徑的選擇對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有著重要影響。在拉伸強(qiáng)度方面，當(dāng)攪拌頭直徑較小時(shí)，焊接區(qū)域的溫度相對(duì)較低，材料的塑性變形不足，焊接接頭的強(qiáng)度較低。隨著攪拌頭直徑的增大，焊接區(qū)域的溫度升高，材料的塑性變形更加充分，焊接接頭的強(qiáng)度逐漸提高。然而，當(dāng)攪拌頭直徑過(guò)大時(shí)，焊接區(qū)域的溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)熱，晶粒長(zhǎng)大，從而使焊接接頭的強(qiáng)度下降。在彎曲性能方面，攪拌頭直徑的變化會(huì)影響焊接接頭的塑性和韌性。適當(dāng)增大攪拌頭直徑，能夠改善焊接接頭的彎曲性能，使其在彎曲過(guò)程中不易發(fā)生斷裂。但如果攪拌頭直徑過(guò)大，材料過(guò)熱，會(huì)降低焊接接頭的塑性和韌性，導(dǎo)致彎曲性能變差。在對(duì)7075鋁合金差厚板攪拌摩擦焊的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)攪拌頭直徑為[D5]mm時(shí)，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值[σmax3]MPa，彎曲角度達(dá)到[θmax3]°；當(dāng)攪拌頭直徑繼續(xù)增大到[D6]mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降至[σmin3]MPa，彎曲角度減小至[θmin3]°。此外，攪拌頭直徑還會(huì)影響焊接缺陷的產(chǎn)生。當(dāng)攪拌頭直徑過(guò)小，攪拌作用不足，可能會(huì)導(dǎo)致材料流動(dòng)不暢，在焊縫中形成隧道缺陷、飛邊等問(wèn)題。而當(dāng)攪拌頭直徑過(guò)大時(shí)，可能會(huì)使焊接區(qū)域的熱輸入過(guò)大，導(dǎo)致材料過(guò)熱，產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。因此，在實(shí)際焊接過(guò)程中，需要根據(jù)鋁合金板材的厚度、材質(zhì)以及具體的焊接要求，合理選擇攪拌頭直徑。對(duì)于較厚的鋁合金板材，由于需要更深入的攪拌和更多的熱量輸入，通常需要選擇較大直徑的攪拌頭。而對(duì)于較薄的鋁合金板材，為了避免過(guò)熱和變形過(guò)大，應(yīng)選擇較小直徑的攪拌頭。同時(shí)，還需要結(jié)合攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩下壓量等其他工藝參數(shù)，進(jìn)行綜合優(yōu)化，以獲得最佳的焊接質(zhì)量。通過(guò)大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，可以確定針對(duì)不同差厚鋁合金板的最佳攪拌頭直徑范圍，為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)。例如，對(duì)于某型號(hào)的差厚鋁合金板，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌頭直徑在[D7]-[D8]mm范圍內(nèi)時(shí)，能夠獲得較好的焊接質(zhì)量，焊接接頭的力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果對(duì)比6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，精心設(shè)計(jì)了差厚鋁合金板攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的鋁合金板材為6061鋁合金，這種鋁合金在航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有良好的綜合性能。其中，薄板厚度為3mm，厚板厚度為5mm，板材尺寸均為200mm×100mm。選擇該鋁合金和板材厚度，是因?yàn)?061鋁合金的焊接性能和力學(xué)性能研究較為成熟，便于與已有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，且3mm和5mm的厚度組合在實(shí)際工程中具有一定的代表性，能夠較好地模擬差厚鋁合金板的焊接情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用[設(shè)備型號(hào)]攪拌摩擦焊機(jī)，該設(shè)備具備精確控制攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度和軸肩下壓量等參數(shù)的功能，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接工藝參數(shù)的嚴(yán)格要求。攪拌頭采用[攪拌頭材質(zhì)]材質(zhì)，軸肩直徑為15mm，攪拌針直徑為5mm，長(zhǎng)度為4mm。選擇該材質(zhì)的攪拌頭，是因?yàn)槠渚哂辛己玫哪透邷匦阅芎湍湍バ?，能夠在高速旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)烈摩擦的條件下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，確保焊接過(guò)程的順利進(jìn)行。軸肩和攪拌針的尺寸設(shè)計(jì)是根據(jù)前期的數(shù)值模擬和相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)確定的，能夠在保證焊接質(zhì)量的前提下，有效提高焊接效率。在焊接參數(shù)選擇方面，綜合考慮前期數(shù)值模擬結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定了三組不同的焊接參數(shù)組合。第一組參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速800r/min，焊接速度100mm/min，軸肩下壓量0.3mm；第二組參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速1000r/min，焊接速度150mm/min，軸肩下壓量0.4mm；第三組參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速1200r/min，焊接速度200mm/min，軸肩下壓量0.5mm。選擇這三組參數(shù)，是為了覆蓋不同的熱輸入范圍，全面研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。通過(guò)改變攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度和軸肩下壓量，能夠觀察到焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及焊接接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在溫度測(cè)量方面，采用K型熱電偶作為溫度測(cè)量工具。在焊接工件上預(yù)先鉆孔，將熱電偶的測(cè)量端插入孔中，使其與工件緊密接觸，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。在焊接過(guò)程中，使用[數(shù)據(jù)采集設(shè)備型號(hào)]數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)記錄熱電偶測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)。熱電偶的布置位置為：在焊縫中心線上，分別在薄板側(cè)和厚板側(cè)距離焊縫中心5mm、10mm、15mm處布置熱電偶，共6個(gè)測(cè)量點(diǎn)。這樣的布置方式能夠全面監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中焊縫不同位置的溫度變化，為分析溫度場(chǎng)分布提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。殘余應(yīng)力測(cè)試采用X射線衍射法。在焊接完成后，使用[X射線衍射儀型號(hào)]X射線衍射儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量。測(cè)量位置為：在焊縫中心線上，分別在薄板側(cè)和厚板側(cè)距離焊縫中心3mm、6mm、9mm處進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值作為該位置的殘余應(yīng)力值。X射線衍射法能夠準(zhǔn)確測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力，通過(guò)對(duì)不同位置殘余應(yīng)力的測(cè)量，可以分析殘余應(yīng)力在焊接接頭中的分布規(guī)律，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。接頭性能檢測(cè)主要包括拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)]進(jìn)行，使用[拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)]萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，記錄拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線，計(jì)算焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)]進(jìn)行，使用[彎曲試驗(yàn)機(jī)型號(hào)]彎曲試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行彎曲測(cè)試，記錄彎曲過(guò)程中焊接接頭的變形情況，評(píng)估焊接接頭的彎曲性能。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，可以全面評(píng)估焊接接頭的力學(xué)性能，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬對(duì)焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)精心設(shè)計(jì)的差厚鋁合金板攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及接頭性能進(jìn)行了全面測(cè)試，得到了一系列重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以下將對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面，利用K型熱電偶對(duì)焊接過(guò)程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，得到了不同焊接參數(shù)下焊接區(qū)域的溫度變化曲線。以第一組焊接參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速800r/min，焊接速度100mm/min，軸肩下壓量0.3mm）為例，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的焊縫中心線上薄板側(cè)和厚板側(cè)不同位置的溫度變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，在焊接過(guò)程中，焊縫中心區(qū)域的溫度迅速升高，達(dá)到峰值后逐漸降低。在薄板側(cè)，距離焊縫中心5mm處的溫度峰值為[T12]℃，10mm處為[T13]℃，15mm處為[T14]℃；在厚板側(cè)，對(duì)應(yīng)位置的溫度峰值分別為[T15]℃、[T16]℃、[T17]℃?？梢园l(fā)現(xiàn)，薄板側(cè)的溫度整體高于厚板側(cè)，這是由于薄板的熱容量較小，在相同的熱輸入下升溫更快。同時(shí)，隨著距離焊縫中心距離的增加，溫度逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度。將溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在溫度變化趨勢(shì)和數(shù)值上具有較好的一致性。在溫度變化趨勢(shì)方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度曲線與數(shù)值模擬得到的溫度曲線形狀相似，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在溫度數(shù)值方面，雖然存在一定的差異，但差異在可接受范圍內(nèi)。例如，在薄板側(cè)距離焊縫中心5mm處，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度峰值為[T12]℃，數(shù)值模擬結(jié)果為[T18]℃，相對(duì)誤差為[（T18-T12）/T12×100%]%。這種差異可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一些不可避免的因素，如熱電偶的測(cè)量誤差、焊接過(guò)程中的熱損失等?？傮w而言，溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，表明所建立的數(shù)值模型能夠較好地模擬差厚鋁合金板攪拌摩擦焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。在殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面，采用X射線衍射法對(duì)焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，得到了橫向、縱向和厚度方向的殘余應(yīng)力分布情況。以第二組焊接參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速1000r/min，焊接速度150mm/min，軸肩下壓量0.4mm）為例，橫向殘余應(yīng)力在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的分布曲線如圖8所示。從圖中可以看出，在前進(jìn)側(cè)，橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在靠近焊縫中心的區(qū)域，壓應(yīng)力數(shù)值較大，隨著與焊縫中心距離的增加，壓應(yīng)力逐漸減?。辉诤笸藗?cè)，橫向殘余應(yīng)力同樣為壓應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)前進(jìn)側(cè)較小?？v向殘余應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布曲線如圖9所示，在焊縫中心區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，從焊縫中心向兩側(cè)，拉應(yīng)力逐漸減小，在熱影響區(qū)與母材交界處，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。厚度方向殘余應(yīng)力在板厚方向上的分布較為復(fù)雜，在靠近焊縫上表面（軸肩作用區(qū)域），殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，在某一深度處，殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，繼續(xù)向板厚方向深入，拉應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到最大值后又逐漸減小，在靠近焊縫下表面處，殘余應(yīng)力再次變?yōu)閴簯?yīng)力。將殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在殘余應(yīng)力分布規(guī)律和數(shù)值上也具有較好的一致性。在殘余應(yīng)力分布規(guī)律方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的殘余應(yīng)力分布情況與數(shù)值模擬結(jié)果相符，均呈現(xiàn)出橫向殘余應(yīng)力在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的不對(duì)稱(chēng)分布、縱向殘余應(yīng)力在焊縫中心區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力以及厚度方向殘余應(yīng)力的復(fù)雜分布特征。在殘余應(yīng)力數(shù)值方面，雖然存在一定的差異，但差異在合理范圍內(nèi)。例如，在前進(jìn)側(cè)距離焊縫中心3mm處，橫向殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為[-σ7]MPa，數(shù)值模擬結(jié)果為[-σ8]MPa，相對(duì)誤差為[（σ8-σ7）/σ7×100%]%。這種差異可能是由于X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)存在一定的測(cè)量誤差，以及數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)材料性能和焊接過(guò)程的簡(jiǎn)化處理等因素導(dǎo)致的?？傮w而言，殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，表明所采用的殘余應(yīng)力模擬方法能夠較好地預(yù)測(cè)差厚鋁合金板攪拌摩擦焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布。在接頭性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面，通過(guò)拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，不同焊接參數(shù)下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度存在一定差異。以第三組焊接參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速1200r/min，焊接速度200mm/min，軸肩下壓量0.5mm）為例，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為[σ9]MPa，屈服強(qiáng)度為[σ10]MPa。彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭在彎曲過(guò)程中的變形情況良好，能夠承受一定的彎曲角度而不發(fā)生斷裂。將接頭性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測(cè)焊接接頭的力學(xué)性能趨勢(shì)。例如，在不同焊接參數(shù)下，數(shù)值模擬得到的焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。然而，在具體數(shù)值上，兩者存在一定的差異。這可能是由于數(shù)值模擬過(guò)程中無(wú)法完全考慮到焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷等因素對(duì)力學(xué)性能的影響。總體而言，接頭性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬在預(yù)測(cè)焊接接頭力學(xué)性能趨勢(shì)方面的有效性，但在具體數(shù)值預(yù)測(cè)上還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。6.3誤差分析與改進(jìn)措施盡管數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)上呈現(xiàn)出較好的一致性，但不可避免地存在一定誤差，深入分析這些誤差來(lái)源并提出針對(duì)性的改進(jìn)措施，對(duì)于提升模擬精度和實(shí)驗(yàn)可靠性具有重要意義。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差可能源于多個(gè)方面。在數(shù)值模擬過(guò)程中，模型簡(jiǎn)化是導(dǎo)致誤差的一個(gè)重要因素。為了降低計(jì)算復(fù)雜度，在建立數(shù)值模型時(shí)通常會(huì)對(duì)實(shí)際焊接過(guò)程進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。例如，在模擬攪拌頭與工件的接觸時(shí)，可能無(wú)法精確考慮接觸表面的微觀粗糙度和接觸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)際焊接中，攪拌頭與工件的接觸表面并非完全光滑，微觀上存在一定的粗糙度，這會(huì)影響摩擦系數(shù)和熱量傳遞。而在數(shù)值模型中，往往將接觸表面簡(jiǎn)化為理想的光滑表面，采用恒定的摩擦系數(shù)，這與實(shí)際情況存在差異，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。此外，在模擬材料的力學(xué)性能和熱物理性能時(shí)，通常假設(shè)材料為均勻連續(xù)介質(zhì)，忽略了材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)和缺陷對(duì)性能的影響。然而，實(shí)際鋁合金材料內(nèi)部存在著晶粒、位錯(cuò)、雜質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響材料的力學(xué)性能和熱物理性能，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況不符。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)量誤差也是導(dǎo)致誤差的重要原因。在溫度測(cè)量方面，熱電偶的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。熱電偶的測(cè)量精度通常存在一定的誤差范圍，例如，K型熱電偶的精度等級(jí)一般為±2.5℃或±0.75%t（t為測(cè)量溫度）。在焊接過(guò)程中，溫度變化迅速，熱電偶的響應(yīng)時(shí)間可能無(wú)法及時(shí)跟蹤溫度的快速變化，從而導(dǎo)致測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)存在偏差。此外，熱電偶的安裝位置和固定方式也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。如果熱電偶的安裝位置不準(zhǔn)確，沒(méi)有處于焊接區(qū)域的關(guān)鍵位置，或者固定不牢固，在焊接過(guò)程中發(fā)生位移，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映焊接區(qū)域的溫度變化。在殘余應(yīng)力測(cè)試方面，X射線衍射法的測(cè)量精度和測(cè)量范圍也存在一定的局限性。X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、測(cè)量角度等因素的影響。例如，對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金材料，X射線衍射峰的分辨率較低，可能會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的測(cè)量誤差增大。此外，X射線衍射法只能測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力，對(duì)于材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布情況無(wú)法直接測(cè)量，這也會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。為了提高模擬精度和實(shí)驗(yàn)可靠性，可采取一系列改進(jìn)措施。在數(shù)值模擬方面，應(yīng)優(yōu)化模型，減少模型簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差。對(duì)于攪拌頭與工件的接觸模擬，可以采用更復(fù)雜的接觸模型，考慮接觸表面的微觀粗糙度和接觸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。例如，采用基于微觀力學(xué)的接觸模型，通過(guò)建立接觸表面的微觀形貌模型，計(jì)算實(shí)際的接觸面積和摩擦系數(shù)，從而更準(zhǔn)確地模擬攪拌頭與工件之間的摩擦生熱和力學(xué)相互作用。在模擬材料性能時(shí)，應(yīng)考慮材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和缺陷對(duì)性能的影響。可以采用微觀力學(xué)模型或多尺度建模方法，將材料的微觀結(jié)構(gòu)信息引入到數(shù)值模型中，以更準(zhǔn)確地描述材料的力學(xué)性能和熱物理性能。例如，通過(guò)建立材料的晶粒模型，考慮晶粒的取向、尺寸和分布對(duì)材料