填充摩擦搅拌点焊（RFSSW）是一种固态连接技术，有可能取代航空航天应用中的露天熔融粘合技术和铆钉技术等工艺。选择合适的RFSSW参数是一项关键任务，对于确保接头的机械强度非常重要。本文的目的是对RFSSW过程进行数值建模，以了解焊接过程的物理特性，该过程涉及大变形，复杂的接触条件和陡峭的温度梯度。Alclad 7075-T6铝合金板之间RFSSW接头的三维全耦合热机械模型已在基于有限元的程序Simufact Forming中构建。仿真结果包括重叠接头的温度分布和应力应变分布。将数值计算结果与实验结果进行了对比。数值模型能够预测使用RFSSW连接Alclad铝合金板过程中的材料流动力学。焊缝区温度梯度的预测结果与实验测得的温度吻合较好。已经建立的数值模型能够模拟RFSSW，以减少设置最佳焊接参数所需的实验次数。
在RFSSW技术中，旋转工具由外部固定支架和旋转元件（销和套筒）组成，旨在通过摩擦对要连接的材料进行塑化。该工具的结构允许销和套筒独立垂直移动。这允许生产没有出口孔的点焊。RFSSW的基本优点是取代了大量增加的紧固工艺，例如拧紧或铆接。因此，RFSSW在汽车，造船和航空航天工业中具有巨大的潜力。此外，该技术可以连接由于热膨胀系数和熔点不同而难以使用熔焊连接的异种材料。
尽管RFSSW技术与传统铆接相比具有许多优势，包括没有出口孔，不需要填充材料，不会产生孔隙和飞溅物，易于自动化，但RFSSW技术尚未完全了解。正确选择RFSSW参数（焊接持续时间，工具转速，工具切入深度）对于确保接头的适当强度至关重要。焊接参数对许多外部条件都很敏感，例如所用材料的等级、材料厚度、材料熔覆等。尽管已经有许多涉及该主题的科学出版物，但确定薄壁铝合金结构最佳RFSSW参数的指南尚未明确定义。
在过去的十年中，RFSSW技术在连接飞机结构中使用的铝合金方面显示出巨大的潜力。大多数研究的目的是确定最佳焊接参数，使接头达到最大负载能力，同时最大限度地减少可能的焊接缺陷。以前的研究主要集中在工艺条件对接头载荷能力和摩擦点焊宏观结构的影响的耗时实验测试。尽管FSSW工艺的数值建模是常用的，但由于焊缝区物理机械现象更复杂，刀具运动的运动学也更复杂，因此RFSSW的数值分析在文献中受到限制。
RFSSW接头由0.8毫米厚和1.6毫米厚的Alclad7075-T6铝合金板制成。这种金属合金是一种不可焊接的轻质材料，其特点是机械强度高，可与结构钢相媲美，并且具有非常高的抗疲劳性。7075-T6是一种沉淀硬化的Al–Zn–Mg–（Cu）合金，广泛用于飞机结构部件中的高负载结构元件。Alclad是一种双相材料，通过将铝合金芯与纯铝表面层包覆而成。
实验测试的目的是获得实验结果（温度分布和物料流动行为），以验证基于有限元的数值计算结果。RFSSW工艺的实验研究是使用Harms & Wende GmbH & Co KG的RPS100点焊机进行的。使用的焊接工具配备了焊机，由三个独立的元件组成。直径17毫米的夹紧环，直径9毫米的套筒和直径5.3毫米的销钉。销和套筒的外径分别为5.2和9mm。在着陆阶段之后，工具开始旋转以预热上片的材料。在*阶段旋转套筒插入金属，而销向上移动。达到一定的切入深度后，套筒和销子反转其方向并返回其原始位置。最后，将RFSSW刀具从工件上缩回。
在重叠接头中制备试样，其中较厚的板材设置为顶部板材。这种配置对应于飞机结构中纵梁（1.6mm厚）与蒙皮（0.8mm厚）的连接。实验中采用了以下焊接参数：锁模力17kN，刀具转速2600转/分，刀具切入深度1.5mm。焊接周期包括切入时间（1 s）、搅拌时间（1 s）和工具缩回时间（1 s）。
焊接后，对焊缝中心部分的试样进行金相分析。对标本进行抛光和蚀刻，并使用奥林巴斯DP700光学显微镜检查标本。
焊接区域的温度分布是工件与销套之间接触产生的摩擦产生的热量的函数。根据图中的方案，在焊接区附近和夹紧环的外表面测量温度。首先将K型热电偶放置在直径为1mm的盲孔中，一定距离使孔的底部尽可能靠近焊接区域的边缘。第二个热电偶连接到夹紧环的外表面使用特殊的数据记录器以1 Hz的频率在线记录从热电偶获得的温度值。
为了更好地了解RFSSW焊接过程中发生的现象，需要建立一个数值模型，以便详细分析焊缝形成过程中发生的现象以及工具表面界面和正在形成的焊缝处发生的关系。首先，数值调查旨在评估所采用的模型是否符合实际过程，并在对该模型进行积极评估后，分析焊接区域发生的材料流动。基于焊缝区的温度梯度分布对模型进行了定量验证。
RFSSW过程的数值模拟模型是使用Simufact Forming软件进行的。由于该过程的对称性，进行了二维轴对称仿真。进行了完全耦合的热机械分析，以获得焊缝区的温度分布和RFSSW工艺的材料流动。
在基于有限元的焊接过程模拟中，根据实际条件采用了许多简化的数值模型。刀具的各个元件，即有限元模型中的销、套筒和夹紧环，被采用为具有光滑表面的圆柱体。因此，省略了销和套筒外表面上的特征凹槽。由于销和套筒的切入深度相对较小，因此在连接薄板的情况下，这些坡口不会显着影响焊接工艺条件。套筒、销和夹环都被认为是刚体。众所周知，由于复合材料相对于底板材料的导热性明显更高，因此复合层对焊接过程中的热分布有显着影响。因此，模型由板材之间的中间层组成，以反映复合材料的属性。数值模型中包层的厚度等于上下层包层的总和。刀具转速和刀具位移与实验条件相对应。
板材和包层使用二维单元建模，用于分析二维轴对称问题，是使用高级前四网格划分器生成的。在模拟RFSSW时，初始网格由于大位移而失真，不再符合所需的网格质量。基于有限元的模型的网格畸变过大会导致发散问题。为了避免网格导致元素失真过多，使用了自动重新划分网格，自动重新生成网格，并使用新网格继续仿真。板材和复合模型由22个单元组成，刚体由7个单元组成。
杨氏模量、热膨胀系数、热导系数和热容是温度相关参数，在本仿真中使用这些参数来获得准确的结果。这些参数与温度的关系已在Simufact Forming软件的材料数据库中建立。
在7000系列铝合金板的搅拌摩擦焊接过程中，可能会发生材料的局部熔化。这种现象可能导致摩擦发热率降低。7075-T6母材中的第二相颗粒在温度高于475°C时开始自发熔化。 当搅拌区温度分别达到475、480和490°C时，η、S和T颗粒自发熔化。另一方面，当温度高达532°C时，均质化的7075铝合金开始熔化。
为了评估数值模型与实际焊接过程的符合程度，首先通过将其与实际接头的横截面进行比较来分析焊缝结构的横截面。根据接头的微观结构特性，RFSSW接头的横截面可分为四个区域：搅拌区（SZ），热机械影响区（TMAZ），热影响区（HAZ）和基材（BM）。搅拌区的特点是动态重结晶的等轴晶粒。
在焊缝的中心部分，堆焊层的厚度增加了，并且朝向焊缝表面略有增加。在焊缝的拐角处，电镀层分裂并确定焊接最后阶段的材料流动方向。焊缝模型角落的电镀行为的性质与实际情况一致。由于所采用的模型进行了简化，因此未采用破坏电镀层的标准。因此，它不会在模型中中断，这实际上应该发生。
在有限元模型验证的下一阶段，在数值模型中确定了夹紧环压力的值。在RFSSW的第一阶段，夹紧环的作用是在焊接过程中保持工件牢固接触。此外，夹紧压力可防止板材分离，因为塑化材料被销和套筒置换。考虑到夹紧环与上部板的接触面积，夹紧产生的接触压力值约为99MPa，与数值结果非常接近。这种相对较高的压力会导致被连接板的无支撑端发生弹性挠度。
刀具与工件之间的摩擦效应产生的热量会影响工件和刀具的物理性能。热量也是焊接区域塑性变形的结果。数值模型的初始温度为20°C。 在预热和切入阶段的前2秒，焊接区域（temp_point_1）区域的温度迅速升高。在骤降阶段，温度以250°C/s的速度升高。在temp_point_2测量的上片表面的最高温度达到约180°C。在撤退阶段结束时，实验测量显示所分析的两个点的温度都升高。然而，FEM结果显示温度下降，在夹紧环外围的点清晰可见。这可以归因于测量系统的高热惯性。
在插拔阶段，累积的塑性应变在销的工作边缘达到其最高值。累积塑性应变定义为塑性应变增量的总和，与方向和符号无关。在套筒工作表面下，上板体积中的累积塑性变形水平显着增加。这为在整个接头下边缘的体积中形成细晶结构创造了条件。严重累积的塑性应变允许形成新的晶界，这是动态再结晶过程的基础。
在切入阶段，观察到材料的下部和上部板的明显弯曲。此外，位于套筒作用面下方的下片材料被上片的材料挤出到焊缝的中间部分。复合层将上片和下片的区域分开，其特征是有效应力量大不相同。
在距焊缝边缘一定距离处观察到上下板中心部分的不同取向和晶粒尺寸。可以得出结论，热量对连接板材料的微观结构有显著影响。在基材的方向上可以显示HAZ的明显加宽。该区域在重叠板中央部分的位置表明，由于复合材料和BM的导热系数存在明显差异，因此存在强烈的散热。基材和复合材料的导热系数分别为134W/mK和229W/mK。之所以会出现这种差异，是因为包层比BM更快地将热量从接头中传递出来。
基于对焊接最后阶段焊接特定区域材料流动方向的分析，可以对数值建模结果进行定性评估。焊缝中复合层的排列是一个特定的决定因素，说明了RFSSW重新填充阶段的材料流动方向。节理结构中的晶粒取向和晶粒细化程度也有助于评估材料的假设流动方向。图显示了具有清晰包层带的焊缝微观结构和在重新填充阶段指示的材料流动方向的比较，用于实验获得和数值预测的接头结构。数值模型不考虑复合层的退化作为准则。然而，实验中的材料流矢量与焊缝中假设的材料流动之间存在良好的匹配。
RFSSW接头的典型缺陷是可见的，即重新填充不完全以及上板基材与套筒表面下方焊缝的搅拌区域之间的结构凹口。形成不完全重填充的原因是来自套腔上部区域的材料的塑性不足，该材料的可塑性用于重新填充套筒缩回时产生的环形腔。与套筒表面底部的区域相比，该焊接区域的发热较低，可能导致材料的塑性不足。焊缝圆周上的结构凹口是套筒向上板渗透的影响。结构凹槽的大小很大程度上取决于刀具切入深度，而这种尺寸对接头的承载能力有相当大的影响。
本文通过有限元数值模拟研究了Alclad7075-T6铝合金板在RFSSW中的材料流动和温度分布。基于有限元的模型中的物料流与实验制造的接头基本一致;焊缝模型角落的复合行为特征与实际案例中所看到的一致，在切入阶段，焊缝区域的温度迅速升高，在靠近焊缝边缘的区域，温度以250°C/s的速度升高;尽管在切入和重新填充阶段，数值结果与实验获得的结果一致，最高温度发生在引脚前与套管内边缘相接的点处，在RFSSW循环时间的512%下达到约 90°C，包层通过阻隔效应充当热绝缘体，因此难以抑制焊缝中的均匀传热。
