Spatial characteristic of temperature distribution and material flow behaviors during bobbin tool friction stir welding: a computational fluid dynamics study
本研究建立了一个全耦合热-力-流计算流体力学模型，以证明前峰值接触压力模型最准确地预测了绞龙式搅拌摩擦焊中的非对称温度分布和复杂的材料流动行为，揭示了工具前方的高压区驱动热材料从前进侧向后退侧迁移。
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想象一下，试图在不熔化两块厚金属片的情况下将它们缝合在一起。这就是摩擦搅拌焊接面临的挑战——在这种技术中，旋转的工具就像一根巨大的、超热的针，通过揉捏金属，使其变得像温热的粘土一样柔软，从而能够流动并融合在一起。通常，这个过程需要一块坚实、不可移动的底座支撑金属，就像裁缝需要一个坚实的平面来缝纫一样。但如果你正在焊接一个中空的管子或复杂的曲线，那里没有空间放置背衬块怎么办？工程师们开发了一种被称为“双肩工具焊接”（bobbin tool welding）的巧妙解决方案。这种方法不再是使用单个工具向下挤压，而是使用一种特殊的装置，它有两个肩部，一个在上，一个在下，从两侧将金属夹紧。这使得焊接可以在半空中进行，为制造如燃料箱或飞机框架等大型中空结构打开了大门。然而，由于这种方法捕捉热量的方式不同，且材料的运动方式比标准版本更复杂，科学家们一直难以准确预测焊缝内部金属的行为。
清华大学和航天工业相关研究机构的一支研究团队致力于破解这一谜团，他们构建了一幅详细的数字化过程图谱。他们专注于一种在航空航天领域广泛使用的铝合金——2219-T8。为了理解焊缝内部发生的情况，他们创建了一个计算机模拟，将受热的金属视为一种粘稠、缓慢流动的流体。这种方法使他们能够追踪热量和压力如何随工具以每分钟300转的速度旋转并以每分钟250毫米的速度前进而移动。成功的关键在于弄清楚工具对金属施加了多大的压力。在过去，许多模型假设这种压力是处处均匀的，就像铺在床上的毯子一样平整。但研究人员怀疑现实情况更为不均，工具在推入金属时会在前缘产生更大的压力，而在向后拖行时压力则较小。
为了测试这一点，该团队运行了三种不同版本的模拟。第一种假设压力是完全均匀的；第二种假设压力在工具后部最高；第三种，也是最具创新性的，假设压力在工具首先接触金属的前部最高。随后，他们将这些数字实验的结果与实际焊接金属板并使用传感器测量温度的现实世界测试进行了对比。结果令人震惊。那个假设压力均匀的模型（许多之前的研究都依赖于此）未能匹配现实。它预测焊缝中随工具旋转运动的一侧会更热，但实际测量显示情况正好相反：迎着旋转运动的一侧明显更热。假设后部压力高的模型也未能匹配数据。只有那个将最高压力置于工具前部的模型准确地预测了温度读数，几乎完美地契合了现实世界的实验。
这一发现揭示了驱动热量的隐藏机制。当工具在前端最用力地挤压金属时，它创造了一个剧烈摩擦和产热的区域。随着工具的旋转，这种超热的金属被扫过并推向逆着旋转运动的一侧。正是这种由前端高压驱动的热材料流动，使得焊缝的另一侧变得更热。研究人员还观察了焊缝内部金属的运动方式。他们发现，材料并非只是简单地做圆周运动。相反，它在工具正前方形成了一个薄薄的、快速移动的层，而拖在后面的材料则移动得更慢，且分布范围更广。在垂直方向上，金属绕着工具进行环流，并向板材厚度的中间汇聚。这种复杂的运动确保了焊缝既强韧又无缺陷，但只有在压力分布被准确建模时，这一切才能正确发生。
为了证明他们的发现是真实的，研究人员在两块金属板之间插入了一层极薄的铜片进行焊接。焊接完成后，他们利用X射线观察铜最后停留在什么位置。铜充当了示踪剂，展示了金属经过的确切路径。使用“前部高压”模型的模拟极其精确地预测了铜的最终位置，显示出铜在其中一侧的扩散比另一侧更广，正如X射线所揭示的那样。其他模型将铜定位在了错误的位置，证明它们忽略了流动的真实本质。通过理解工具在前端施加最大的压力，工程师现在可以更好地预测这些复杂焊缝中的热量和金属行为。这一知识对于设计更坚固、更安全的飞机和航天器中空结构至关重要，确保了控制这些复杂结构的可见工具能以同样的精度，精准掌控焊缝内部那些看不见的力量。
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