揭示基于涡流的搅拌摩擦焊中的热-质量传递机制

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Revealing thermo-mass transfer mechanisms in vortex flow-based friction stir welding

　　

## 摘要

揭示基于涡流流动的搅拌摩擦焊（VFSW）中热质传递机制，对于优化工艺和控制接头性能至关重要。与常规针式搅拌摩擦焊以及不含高温相变的合金VFSW不同，Ti-6Al-4V的VFSW涉及涡流驱动的材料传递与β相转变耦合，使得热质传递的调控尤为重要。本研究针对Ti-6Al-4V开发了一种新型数值模型，用于探究VFSW中的热质传递行为。系统分析了肩-工件（S-W）、杆-工件（R-W）以及约束层-背板（CL-BP）界面的调控机制。进一步利用数值结果、EBSD和显微硬度测量研究了传质路径的形成及其相关微观组织演化。结果表明，S-W界面的显著滑移、由于工件反馈调控导致的搅拌杆不均匀塑性变形，以及CL-BP界面因不对称摩擦引起的螺旋上涌流，三者共同削弱了焊接工艺稳定性。尤其是源自CL-BP界面的螺旋上涌流，容易导致焊底材料流失缺陷。此外，较高的焊接速度通过提高峰值应变率并限制粗化时间来细化材料流动阶段的原始β晶粒，而随后的高冷却率在β→α相变过程中进一步细化α晶粒。这种两阶段效应增强了焊缝的显微硬度。本研究揭示了VFSW全过程的热质传递机制，并建立了VFSW工艺控制的理论框架。

## 引言

钛合金是一种具有高比强度、优异耐腐蚀性和卓越高温性能的工程材料[1]，广泛应用于航空航天结构、深海设备和核反应堆部件等先进制造领域[2]。然而，钛合金的焊接仍然面临技术挑战[3]。熔化焊接头中常见的缺陷，如气孔、粗晶和热裂纹，往往损害接头性能[4,5]。搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固态焊接技术，可以避免这些缺陷[6]，但存在工具严重磨损和断裂等问题[7]。这些局限性极大地制约了FSW在钛合金先进制造中的广泛应用。

基于涡流流动的搅拌摩擦焊（VFSW）是一种新型焊接工艺[8,9]，采用与工件相同材质的搅拌杆替代传统FSW中的刚性工具，从根本上防止了工具磨损和断裂[10]。如图1(a)所示，搅拌杆与工件之间的内部摩擦产生涡流，将旋转搅拌杆的能量传递给工件，引起工件材料的塑性流动从而形成焊缝。通过控制工艺参数，可以调节涡流的流动行为，进而调整焊缝的微观组织[11]。然而，VFSW技术的工程应用仍面临一些挑战，如图1(b)和(c)所示。在宏观层面，特定的热质传递行为可能导致工艺不稳定，这种不稳定性会引起焊底材料流失等缺陷（图1(b)），从而严重降低接头质量。在微观层面，热质传递行为决定焊缝微观组织，进而影响其力学性能。然而，VFSW过程中微观组织演化的细节尚不清楚（图1(c)）。

对于Ti-6Al-4V而言，这一问题尤为重要，因为材料在高温涡流驱动的传递过程中会发生β相转变。与没有明显高温相变的合金相比，这一特性使后续微观组织演化与热质传递历史更加紧密相关。因此，揭示VFSW工艺中的热质传递机制对于优化焊接工艺参数和控制接头力学性能具有重要意义。本研究旨在从宏观到微观进行深入研究，全面揭示VFSW工艺中的热质传递机制，并阐明其对焊接工艺稳定性和接头力学性能的影响。

为实现上述目标，两个方面值得关注，即阐明热质传递的内在机制和调控相关行为[12]。具体而言，明确热质传递机制是有效控制焊接热输入和材料流动行为的前提[13]。

阐明热质传递机制的方法主要包括实验研究和数值模拟。目前，对热质传递机制的实验研究主要依赖温度分布和材料流动的测量技术。然而，传统测量方法在应用于VFSW时存在显著局限性[14]。例如，红外热成像对表面发射率的变化高度敏感[15,16]；热电偶容易受到材料流动的干扰[17]；标记材料技术在三维数据重建方面分辨率有限且成本较高[18,19]。为应对这些固有挑战，近期研究提出了一些创新的技术方法[20]。Jin等人[21]采用高通量设计结合连续超声弹性成像技术，实现了对材料流动状态的快速测定，但该方法在较高温度下存在局限。Li等人[22]利用准连续观察技术和EBSD技术揭示了局部涡流结构的形成机制，推进了对钢FSW中塑性流动的经验理解。Huang等人[23]引入了力信号的时频域特征分析方法，为阐明材料流动提供了新途径。总体而言，这些实验研究显著提高了对FSW中热质传递的理解。然而，在焊接过程中直接可视化这些热质传递行为仍然是一项艰巨的挑战[24,25,26]。

因此，数值模拟被广泛用作替代方法，其中计算固体力学（CSM）和计算流体力学（CFD）方法最为流行[27,28,29,30]。Chu等人[31]应用CSM方法研究了铝合金bobbin工具FSW中的材料流动，揭示了缺陷形成和再结晶行为的机制。Geng等人[32]使用CSM方法模拟了铝-钢FSW，结果表明较高的转速可以改善材料的流动性。Chen等人[33]采用CFD方法分析了搅拌针螺纹对FSW中材料流动的影响，揭示了螺纹结构产生垂直压力梯度，从而促进垂直传质。这表明CFD方法适用于模拟高应变率塑性变形，在揭示复杂热质传递机制方面十分有效[34,35]。相比之下，虽然CSM方法可以模拟热-力耦合过程，但其依赖迭代求解方案，导致计算效率相对较低，不适合大规模参数分析[36,37]。

在阐明热质传递的内在机制之后，有效调控焊接热输入和材料流动行为已成为研究重点。当前的调控策略主要围绕工具结构设计、参数优化和辅助能量场的应用展开[38,39,40]。Zhang等人[41]修改了摩擦铆钉的内部腔体结构以调控材料传递和微观组织演化，显著提高了接头强度，并在无模具导向的摩擦自穿透铆接中实现了高质量焊接接头。Li等人[42]利用修改的针形工具将塑性化金属的回填方式从对称改为不对称，增强了上下金属层的混合，从而消除了三角形滞止区的腔体缺陷，实现了均匀的拉伸变形。Zlatanovic等人[43]通过改变转速来调节材料流动行为，避免了摩擦搅拌点焊多层搭接焊的分层现象。Muhammad等人[44]利用超声辅助方法改善了材料传递和混合，缓解了Al/Mg异种合金FSW中的残余应力。综上所述，这些调控策略的发展依赖于对特定工艺热质传递的理解。然而，VFSW中关键界面对热质传递的调控机制、传质路径的形成及其对焊接工艺稳定性的影响尚未得到系统阐明。此外，热质传递与钛合金后续微观组织演化的关系仍缺乏充分理解。

为弥补这些研究空白，本研究采用以计算流体力学（CFD）方法为中心的研究方案，辅以微观结构表征和分析计算，如图2(a)所示。具体而言，使用CFD方法开发了VFSW模型。基于VFSW模型，首先分析了热生成、流场速度和温度的分布特征。同步阐述了肩-工件（S-W）界面、搅拌杆-工件（R-W）界面和约束层-背板（CL-BP）界面对热质传递的调控机制。在此基础上，提出了一些有针对性的优化策略，以克服界面交互对焊接工艺的不利影响。随后，阐明了传质路径的形成机制，进一步揭示了影响焊接工艺稳定性的关键因素，并提出了有针对性的优化措施，从而加深了对宏观热质传递机制的理解。

最后，基于VFSW模型计算的传质路径并结合微观结构表征，定量分析了不同热质传递阶段下的微观组织演化行为。在此过程中，采用了Lifshitz-Slyozov-Wagner（LSW）理论、Johnson-Mehl-Avrami（JMA）模型和其他一些分析方法。具体阐述了高速流动阶段（HVFS）、减速阶段（DS）和冷却阶段（CS）中晶粒和织构的演化机制，这有助于理解微观层面的热质传递机制。

本研究为钛合金VFSW工艺优化和接头力学性能提升提供了理论指导，将促进VFSW工艺在航空航天结构、能源系统和深海探测设备等高要求领域的可靠应用。

除了CFD方法外，本研究建立的VFSW模型的建模策略、计算过程框架和边界条件也可能为其他数值模拟方法提供有益参考，如计算固体力学（CSM）和光滑粒子流体动力学（SPH），并具有适用于传统FSW及其他改进FSW工艺的潜力（图2(b)）。例如，本研究提出的约束层塑性变形判据可以纳入传统FSW的数值模拟中，以考虑背板的摩擦效应。这种方法重构了更真实的焊接物理场景，从而加深了对实际焊接过程中热质传递机制的理解，并有效弥补了FSW研究中的一个关键经验空白。

总之，本引言描述了研究钛合金VFSW的动机，回顾了当前阐明热质传递的实验和数值方法以及调控焊接热输入和材料流动的现有策略，并指出了关于界面调控、传质路径、焊接工艺稳定性和微观组织演化等方面的未解决问题。基于这些研究空白，本研究建立了基于CFD的研究框架，从宏观到微观系统研究VFSW的热质传递机制。相应地，第2节描述VFSW的实验程序和几何模型设置，第3节详细阐述新型VFSW数值模型的建立，第4节从宏观到微观阐述热质传递的界面调控机制、传质路径的形成机制以及微观组织演化的调控机制，第5节总结本研究的主要成果。

## 第2节 实验装置、焊接工艺与几何模型

本节详细介绍VFSW的实验装置、焊接工艺以及几何模型的设置。实验VFSW装置及其主要部件如图3所示。如图3(a)所示，采用型号为HT-JM16×8/1的FSW机床，以位移控制模式运行，驱动旋转的VFSW工具。图3(b)展示了用于在焊接区域周围提供氩气保护环境的保护气罩，保护气体的进、出口已标示。

## 第3节 建模

本节介绍VFSW的数值建模方法。3.1节描述建立VFSW模型的物理依据并介绍其计算过程框架。3.2节介绍基本模型公式和设置，包括材料本构方程、基本假设、控制方程、边界条件和热源生成。

第 3.3 节建立了约束层的塑性变形判据，以确定是否。
结果与讨论
本节系统地研究了 Ti-6Al-4V 钛合金 VFSW 中的热质传递。首先，第 4.1 节探讨了热生成、流速和温度的分布，并阐明了肩 - 工件（S-W）界面、搅拌针 - 工件（R-W）界面以及约束层 - 背板（CL-BP）界面对热质传递的调控机制。接下来，第 4.2 节探讨了质量传递路径的形成机制以及关键因素。
结论
本节提出了本文的结论。本研究系统地调查了 Ti-6Al-4V VFSW 中从宏观材料流到微观结构演化的热质传递机制。阐明了关键界面对热质传递的影响、质量传递路径的形成及其对焊接过程稳定性的影响，以及由此导致的晶粒、织构和显微硬度演化。主要结论如下：首先，热传递。
CRediT 作者贡献声明
Tao Ye：写作 – 原稿、可视化、调查、数据整理。Xiaochao Liu：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、监督、资源、项目管理、资金获取、概念构思。Xincheng Wang：调查。Haiying Wen：方法论、调查。Fangyong Niu：调查、数据整理。Lei Shi：写作 – 审阅与编辑、验证、形式分析。Chuansong Wu：写作 – 审阅与编辑、验证、形式分析。Zexi Wu：
Tao Ye|Xiaochao Liu|Xincheng Wang|Haiying Wen|Fangyong Niu|Lei Shi|Chuansong Wu|Zexi Wu|Zhonghua Ni
中国南京，211189，东南大学机械工程学院