《Journal of Building Engineering》：Experimental investigation and cyclic constitutive modelling of friction stir welded 7075-T6 aluminium alloy butt joints
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对搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头和母材进行了循环加载试验。采用麻雀搜索算法校准循环本构模型。搅拌摩擦焊对接接头与结构钢及铝合金的耗能性能对比。引言7×××系铝合金是工程应用中使用的高强度铝合金材料之一[1]、[2]。这些合金以其高比强度、优异的低温性能和卓越的抗疲劳性能
对搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头和母材进行了循环加载试验。
采用麻雀搜索算法校准循环本构模型。
搅拌摩擦焊对接接头与结构钢及铝合金的耗能性能对比。
引言
7×××系铝合金是工程应用中使用的高强度铝合金材料之一[1]、[2]。这些合金以其高比强度、优异的低温性能和卓越的抗疲劳性能为特征，是航空航天、汽车和工业领域的重要结构材料[3]、[4]。尽管具有这些优势，7×××系铝合金的广泛应用仍受到连接技术复杂性的显著制约。迄今为止，焊接仍是制造铝合金组件的主要方法。然而，传统熔焊由于热输入高、冷却速率低，通常会导致铝合金焊缝熔合区晶粒粗化、强化元素（如Mg）贫化以及热影响区的过时效，从而造成焊后力学性能的显著恶化。由于7×××系合金对温度更为敏感，这种性能恶化程度通常比常用的5×××系和6×××系合金更为严重，特别是在T6状态条件下[5]、[6]。
搅拌摩擦焊是一种固态焊接工艺，通过旋转工具在机械压力下产生局部摩擦热和塑性变形，已成为克服熔焊局限性的一种有前景的替代方法[7]，如图1所示。与熔焊技术不同，搅拌摩擦焊在低于母材熔点的温度下操作，从而显著降低了热变形和凝固开裂的风险[8]，同时产生强度更高且残余应力极小的接头[9]。因此，搅拌摩擦焊已成为一项成熟技术，被广泛应用于航空航天、汽车、造船和可再生能源行业[10]、[11]。
针对搅拌摩擦焊7×××系铝合金的力学性能已开展了大量研究。Yuk等人[12]对12毫米厚的搅拌摩擦焊AA7075-T651板材的母材、热影响区、热机影响区和搅拌区的微观组织演变及拉伸性能进行了实验研究。结果表明，热影响区、热机影响区和搅拌区的屈服强度分别为248、278和292 MPa，均显著低于母材的屈服强度（515 MPa），这是由于强化析出相的粗化和再溶解所致。Li等人[13]对12毫米厚的搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头进行了全面的实验研究，详细描述了在不同焊接参数下的硬度分布和应力-应变行为。同样，Mehri等人[14]报道了1.2毫米厚的搅拌摩擦焊AA7075-T6板材的成形极限约为母材的60%。在工艺优化方面，Li等人[15]证明焊接速度为120毫米/分钟、转速为1000转/分钟时，3毫米厚的搅拌摩擦焊AA7A04-T6对接接头可获得最高拉伸强度452 MPa，达到母材的77.9%。此外，Matitopanum等人[16]提出了一种机器学习框架，用于预测搅拌摩擦焊AA7075-O板材的拉伸强度、最大硬度和热输入。在疲劳性能方面，Deng等人[17]观察到1.2毫米厚的搅拌摩擦焊AA7050-T7451接头的疲劳裂纹萌生具有高度载荷依赖性：在高循环应力下，裂纹从前进侧的热机影响区萌生；而在较低应力下，裂纹萌生在热机影响区更为均匀。Langari等人[18]利用有限元分析研究了轴几何形状——包括简单轴、螺纹轴和截顶三角锥轴——对搅拌摩擦焊AA7075-T651接头疲劳寿命的影响。结果表明，在10^7次循环下，使用简单轴、螺纹轴和截顶三角锥轴的搅拌区疲劳强度分别达到母材的64%。综合这些发现，证实了搅拌摩擦焊生产的7×××系铝合金接头具有可靠的单轴和疲劳性能。
常用的7×××系牌号包括7075、7475、7050、7150、7055和7085[19]、[20]。其中，AA7075-T6是最广泛使用的，通常用于上翼面、机翼和安定面等安全关键结构部件[21]。在极端动态载荷条件下，包括地震、波浪或风荷载作用，AA7075-T6结构部件通常被设计为承受受控的循环非弹性变形以有效耗散能量。准确表征循环弹塑性行为需要可靠的本构模型。然而，搅拌摩擦焊工艺产生的不均匀微观组织显著复杂化了AA7075-T6的力学行为，使得综合本构模型的建立尤为困难。迄今为止，大多数针对焊接接头的低周疲劳研究侧重于通过对离散区域提取的试样进行循环测试来校准宏观模型。该方法已应用于Q235[22]、Q345[23]、[24]、[25]、S690[26]、S960[27]和9Cr-1Mo[28]结构钢、S22053双相不锈钢[29]、316 L+Q235B不锈钢包覆双金属[30]和AA2198-T8[31]，尽管对微观组织机制的洞察有限，但仍能提供直观且可靠的工程指导。然而，关于搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头循环行为的研究仍然稀缺，限制了其在关键结构领域的应用，并对其在严重循环载荷下的长期可靠性提出了担忧。
为弥补这一研究空白，系统分析了搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头的硬度分布、微观组织特征、单轴性能、滞回应力-应变曲线、循环骨架曲线、耗能能力和累积演化规律。采用麻雀搜索算法确定了Chaboche模型和Steel4模型的材料参数，并建立了改进的Chaboche模型。此外，对三种广泛认可的累积损伤模型进行了评估和校准。最后，进行了对比分析，阐明了搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头与其他结构金属相比在循环行为方面的差异。
章节摘要
材料与焊接工艺
本研究所用母材为12毫米厚的挤压AA7075-T6板材，由一家中国制造商供应。母材的化学成分以及GB/T 3190-2020[32]规定的推荐值列于表1中。根据先前研究[13]，采用DH-FSW-1512-16数控龙门焊接系统进行搅拌摩擦焊，焊接速度为150毫米/分钟，转速为300转/分钟。焊接工具配有同心环形肩
硬度分布与微观组织
图7、图8和图9分别展示了搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头的维氏硬度分布、光学显微镜组织和扫描电镜组织。沿横截面的维氏硬度分布曲线呈现典型的"W"形分布，由搅拌区、热机影响区和热影响区组成。搅拌区的硬度保持相对较高水平，主要归因于在剧烈塑性变形和动态再结晶过程中形成的细小等轴晶粒
参数识别方法
在多协议循环载荷下校准本构模型参数是一项重大的计算挑战。尽管传统的试错策略可以提供初步的参数估计值，但它们通常需要反复手动调整和大量迭代才能达到可接受的精度。为提高识别过程的效率和稳定性，本研究采用了麻雀搜索算法，这是一种基于群体的
对比研究
为比较搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头与其他常用结构金属的循环行为，从文献中提取了Chaboche材料常数并汇总于表10中。这些常数涉及Hai等人[52]报道的结构钢Q235、Q345和Q420，Lu等人[53]报道的铝合金5083-H111和5A06-H112，以及Li等人[39]报道的7A04-T6。利用这些常数，不同金属的滞回应力-应变曲线被
结论
本文全面研究了搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头的硬度分布、微观组织、单轴性能和滞回响应。校准了两个现有循环本构模型和一个新提出模型的材料参数。此外，对搅拌摩擦焊AA7075-T6对接接头与各种结构钢和AA7A04-T6的应力-应变曲线和耗能能力进行了对比分析。可以得出以下结论：
作者贡献声明
Boshan Chen：监督指导。Letian Hai：方法设计。Jingfeng Wang：资源提供。Qi Wen：资源提供。Hongzhuang Yang：资源提供。Beibei Li：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法设计，调查研究，资金获取。Shengzhi Wang：可视化，验证。Pengcheng He：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，软件，形式分析
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52478162）、中央高校基本科研业务费（JZ2025HGPA0245）和安徽省自然科学基金（编号2408085ME119）的资助。
李贝贝|王胜之|何鹏程|陈博山|海乐天|王敬峰|文奇|杨宏壮
