应变效应耦合本构方程优化的铝铜异质搭接搅拌摩擦焊模型研究

针对铝铜异质材料焊接中界面脆性金属化合物(IMCs)生成及热力耦合模拟精度不足的问题，本研究采用含应变参数的Gao-Zhang(G-Z)本构模型替代传统Sellars-Tegart(S-T)模型，通过VOF多相流模拟揭示了G-Z模型可提升温度预测精度40K、扩大塑性变形区，为优化搅拌摩擦焊(FSW)工艺提供新思路。

　　

铝和铜作为新能源车等产业的关键材料，其异质结构兼具轻量化与导电优势，但传统焊接易因物理性质差异（铝导热系数237W/(m·K)、铜401W/(m·K)）导致界面形成脆性金属间化合物(IMCs)，形成"铝-IMC-铜"三明治结构，引发残余应力与力学性能劣化。虽然激光焊、钎焊等技术存在高热输入加剧IMCs问题，搅拌摩擦焊(FSW)凭借固相连接特性成为优选方案，但现有数值模拟中Sellars-Tegart(S-T)和Johnson-Cook(J-C)本构模型难以精确刻画大应变条件下的热力学行为。

山东某高校团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过开发集成Gao-Zhang(G-Z)本构方程的自适应力边界模型，采用体积流体法(VOF)模拟Al/Cu搭接焊过程。关键技术包括：1)建立含螺纹-平面的复合工具针几何模型；2)基于G-Z方程引入应变硬化效应（含晶体结构热激活机制）；3)通过粘度场与相分布验证模型；4)对比S-T模型分析温度场、力场等四维度差异。

模型验证
通过焊接截面粘度场分析发现，G-Z模型预测的塑性区比S-T模型扩大15%，且实验观测到的钩状铜特征与模拟结果吻合度达92%，证实该模型能更准确反映材料流动。

热生成特性
G-Z模型预测峰值温度达783K（S-T模型743K），40K的差异源于应变项对位错运动的精确描述，高温降低铜侧流动应力(下降18%)，促进材料混合。

力场分布
螺纹结构产生周期性轴向力波动（振幅±1.2kN），而平面结构导致稳定剪切力场，组合设计实现力场自适应调节。

相分布动力学
G-Z模型捕捉到IMCs层厚度梯度变化（铝侧2.5μm→铜侧1.8μm），与能谱分析(EDS)结果误差<5%。

该研究首次将G-Z模型应用于FSW多物理场耦合模拟，其预测精度较传统模型提升30%，揭示的应变硬化效应（使屈服强度提高22%）为工具几何优化提供理论依据。通过量化温度-应变率-流动应力三维关系，为新能源车电池连接等精密焊接工艺参数设计开辟新途径。