通过材料涡度分析摩擦搅拌焊接过程中的微观结构演变与再结晶现象

《Welding in the World》：Microstructure evolution and recrystallization in friction stir welding process analyzed by material vorticity

摩擦搅拌焊接中材料涡旋对微观结构的影响及工具针几何形状作用研究，通过耦合热力学-力学模拟与实验验证，发现方形工具针涡旋强度（2838.29 s?1）显著高于圆形工具针，通过脉动搅拌促进动态再结晶，形成热应变协同效应，使接头效率达93%（UTS≈280 MPa），延展性提升69%。

　　

摘要

本研究阐明了材料涡度在铝合金摩擦搅拌焊接（FSW）过程中控制微观结构演变中的关键作用，特别关注了工具针头几何形状的影响。通过耦合热力学模拟来深入研究涡度的产生机制，并通过实验验证其影响。方形针头工具产生的涡度最强（2838.29 s?1），其脉动搅拌作用促进了更优越的动态再结晶（CDRX/DDRX）过程，表现为高角度晶界（HAGBs）数量相比圆柱形针头增加了72%。这种以涡度为主导的材料流动产生了独特的热应变协同效应，峰值涡度（1588.16 s?1）出现在445.03°C，从而实现了热输入与变形能量的最佳平衡，有效控制了微观结构。由此带来的晶粒细化和织构改善使得接头效率提高了93%（抗拉强度约为280 MPa），同时延展性提高了69%，实现了优异的强度-延展性组合。研究结果确立了涡度作为连接工具设计与微观结构演变的关键参数，为通过调控流动实现工艺优化提供了理论框架。