《Machines》：Friction Stir Welding: A Critical Review of Analytical, Numerical, and Experimental Methods for Quantifying Heat Generation
Mohamed Ragab,
Mohamed M. Z. Ahmed,
Mohamed M. El-Sayed Seleman,
Sabbah Ataya,
Ali Alamry and
Tamer A. El-Sayed
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本文对摩擦搅拌焊接（FSW）生热量化方法进行了全面梳理，聚焦于近三十年的研究进展。文章系统性评述了分析模型、有限元模型（FEM）和实验方法在预测与测量FSW过程中的生热现象，并对比了其可行性、精度、优缺点与成本。同时，深入探讨了焊接参数、生热量、微观结构演变与接头力学性能之间的关联，为优化焊接工艺、确保高质量连接提供了关键见解与未来研究方向。
摩擦搅拌焊接（FSW）自1991年由焊接研究所（TWI）发明以来，作为一种固态焊接技术，在航空航天、汽车和造船等制造领域的重要性日益凸显。与依赖熔化基材的传统熔焊相比，FSW通过非消耗性旋转工具在接头处移动产生局部热量，使材料屈服强度降低并被机械搅拌形成连接，从而最大限度地减少了热变形和气孔，获得了具有优异机械性能的高质量焊缝。该技术已成功应用于连接多种材料，包括铜、镁、钛、铝及某些高强度钢。其核心机制——局部热量输入与工具搅拌作用带来的极端塑性变形相结合——甚至可应用于材料改性，此时该过程常被称为搅拌摩擦加工（FSP）。
成功的FSW依赖于高效生热以实现有效的材料变形。该过程所需的热能来源于双重机制：旋转工具与工件界面处的摩擦阻力，以及被搅拌材料发生严重塑性变形时释放的热量。轴向力、材料特性、工具几何形状、焊接（进给）速度和工具转速等工艺参数均会影响摩擦生热和塑性生热。由于材料的最高温度通常不会超过其固相线温度，焊接过程中似乎不会发生熔化，但材料（尤其是靠近工具的区域）会发生显著的热软化。FSW过程涉及的热循环在焊缝区（SZ）、热影响区（HAZ）和热机械影响区（TMAZ）等区域产生了不同的微观结构，进而影响最终焊缝的强度、延展性和疲劳抗力等力学性能。热量过少会导致结合不完全和体积缺陷，而热量过多则会导致工具过度磨损、力学质量下降和晶粒长大等不良影响。因此，控制热输入对于保持焊接接头完整性、优化焊接工艺至关重要。
为增强FSW工艺，研究者采用了多种技术来调控热输入，包括调整轴向力、工具转速、焊接速度和工具几何形状。例如，工具设计能显著影响材料流动和生热效率。FSW工具的肩部和销钉尺寸及几何形状极大地影响着热输入，其中工具肩部产生大部分摩擦热，而销钉则有助于材料的搅拌和固结。一般而言，较大的肩部直径或较高的工具转速会增加热输入。具有更激进销钉轮廓的工具设计也能通过改变温度分布和微观结构来影响热区的热量分布。通过优化肩部直径和销钉几何形状，工具可以更好地分布热量，降低过热或结合不足的风险。
由摩擦产生的热能直接与工具的转速相关。提高主轴速度会放大摩擦诱导的热输入，促进局部SZ内更显著的温度升高。另一方面，极高的转速导致的过热可能引起材料退化或工具磨损等缺陷。同样，焊接速度（即工具沿接合线移动的速率）也影响着热输入。较低的进给速率允许工具与材料接触更长时间，产生更多热量；而较高的焊接速度则通过缩短工具与材料的相互作用时间来降低热输入。此外，工具倾角、下压深度、冷却方法和材料特性等工艺参数也对生成的热输入产生影响。
由于焊接区温度分布极不均匀，在FSW过程中精确监测热输入是一项挑战。为实验测量FSW过程中的生热，研究者已开发了多种技术，例如基于热电偶的测量和红外热成像。通常，热电偶被附着在工件表面或嵌入工件中以测量焊接过程中的温度，但这种方法可能无法完全捕获SZ和TMAZ等难以触及区域的温度分布。红外热成像是另一种非接触式技术，可提供焊接区高分辨率、实时的温度分布，特别有助于识别生热过度的区域并理解FSW过程中的动态热行为。
数学模型和有限元模型（FEM）是估算生热及其对焊接接头质量影响的宝贵工具。数学模型将FSW物理学简化为控制方程，这些方程包括传热方程、力学方程和材料流动方程。另一方面，FEM通过将焊接区离散为微小元素来数值求解耦合的热机械方程。FEM技术支持虚拟实验，以优化工具几何形状、焊接速度和工具转速，从而减少孔洞和裂纹等缺陷。它还能指导工具设计，并预测残余应力和疲劳寿命。然而，精确模拟材料行为和工具-工件相互作用仍存在挑战。
为理解与优化FSW，需要对生热和温度分布进行精确预测。热量控制着残余应力、工具磨损、材料流动、微观结构演变，并最终决定焊缝质量。虽然实验温度测量能提供有用信息，但其空间分辨率较低，且难以用于高速焊接。尽管有限元分析可提供详细的模拟，但其计算成本高且需要专业知识。分析模型填补了这一空白，它们基于热传导、接触力学和塑性等基本物理原理，提供封闭形式的数学解，从而快速、直观地洞察生热机制和热循环。分析模型对于理解尺度效应、优化参数、设计初始工艺以及为更复杂的数值模型建立基准非常有用。
分析模型的发展经历了从简单近似到考虑复杂物理的精细公式的演变。早期分析方法将经典的移动热源解（最著名的是Rosenthal焊接方程）应用于FSW。这些模型将FSW工具视为以焊接速度移动的集中或分布热源。尽管计算简单，但这些模型极大地简化了FSW，忽略了材料流动、对流和辐射传热、热源的分布式特性（肩部和销钉）以及热输入与热量产生之间的区别。随着分析模型的发展，研究人员认识到工具肩部的主导作用，将其建模为半径为Rsh（D/2）、以速度v移动的均匀圆盘热源，这被称为均匀圆盘源模型。其解包括在圆盘面积上对点源解进行积分，通过傅里叶变换或格林函数推导温度场。尽管比点源模型有所改进，但此模型忽略了肩部下方的非均匀压力分布、销钉以及塑性变形产生的热量，虽然在远离工具的地方能提供准确的峰值温度估计，但在靠近焊缝线的地方会失效。
下一代分析模型明确考虑了工具几何形状，并解决了界面处的接触条件，专注于工具-工件相互作用产生的热量。考虑到工具肩部和销钉设计，这些模型假设热量是由摩擦滑动、粘着或两者结合产生的。例如，Gadakh和Adepu建立了一个生热模型来研究工具销钉形状对生热的影响。他们假设了均匀的接触剪应力、工具-工件接触表面的滑动条件，且无塑性变形产生的热量。他们发现，来自肩部（Qsh）、来自销钉侧面（Qp）和来自销钉尖端（Qpt）的生热可以表达。这类模型可以更深入地研究工具几何形状对总热量输入和分布的影响，但它们通常仍然简化了接触力学，并且通常忽略了塑性变形产生的热量，这可能在高速或高轴向力条件下非常重要。
为了更真实地模拟FSW，后续模型将塑性变形产生的热量纳入考量。这些模型通常将总热量输入视为摩擦分量和塑性分量的总和，其中塑性分量与材料的应变率和流动应力有关。一些模型还尝试结合温度相关的材料特性，以及滑动与粘着混合的接触条件。这些进步使得分析模型能够更准确地预测温度场，尤其是在靠近工具的区域。例如，一些研究通过结合剪切功率模型来估计塑性生热，该模型与材料屈服应力和应变率相关。然而，精确量化塑性生热仍具挑战性，因为它依赖于对复杂材料流变行为的准确描述。
尽管分析模型不断演进，但它们仍面临一些共同的局限性。大多数模型依赖于对材料特性、接触条件和热边界条件的简化假设，这些假设在高温、高应变率的FSW过程中可能不成立。它们通常难以准确模拟三维瞬态热传导，特别是对于具有复杂工具几何形状或异种材料焊接的情况。此外，分析模型通常无法捕捉由材料剧烈塑性流动引起的强烈对流热传递。为了克服这些限制，分析模型经常与有限元分析或实验数据结合使用，用于校准或验证。
总而言之，分析模型在提供FSW过程中热量产生的快速、直观理解方面发挥着至关重要的作用。它们是从简单移动热源解演变而来，发展到包含工具几何形状、接触力学和塑性生热的更复杂模型。尽管存在简化带来的固有局限性，但分析模型对于参数研究、工艺初步设计和为计算量更大的数值模拟建立基准仍然不可或缺。未来的工作方向可能包括开发更复杂的、结合了先进材料本构模型和更真实接触条件的分析模型，以及进一步提高模型预测与不同材料和焊接条件下实验测量之间的一致性。
