【摘 要】
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Al-Zn-Mg-Cu铝合金具有良好的导电性和导热性、较高的比强度和比刚度、较低的密度和较高的耐腐蚀开裂能力等特点,已被广泛应用于船舶、航空航天和汽车制造等领域。搅拌摩擦焊接（Friction stir welding,FSW）技术可以解决常规熔焊方法带来的焊接变形、气孔、裂纹和残余应力大等缺陷,得到性能良好的接头。同时数值模拟技术可以对实验进行验证、解释,这对焊接工艺的改进、焊接效率的提高和焊接
【基金项目】
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国家自然科学基金“超高强铝合金和镁合金同种/异种材料搅拌摩擦焊接技术及相关基础”（U1760201）；
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Al-Zn-Mg-Cu铝合金具有良好的导电性和导热性、较高的比强度和比刚度、较低的密度和较高的耐腐蚀开裂能力等特点,已被广泛应用于船舶、航空航天和汽车制造等领域。搅拌摩擦焊接（Friction stir welding,FSW）技术可以解决常规熔焊方法带来的焊接变形、气孔、裂纹和残余应力大等缺陷,得到性能良好的接头。同时数值模拟技术可以对实验进行验证、解释,这对焊接工艺的改进、焊接效率的提高和焊接成本的节约均有较大意义。本文采用数值模拟和实验相结合的方式对20 mm厚的Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板搅拌摩擦焊接成形过程进行研究,建立该合金的本构模型,研究了加工参数对该合金微观组织的影响;建立该合金厚板FSW过程中的摩擦系数和温度之间的函数关系,研究了焊接参数对焊接温度、塑性流场、应力和应变的影响;并采用元胞自动机（Cellular Automaton,CA）模型对FSW过程中晶粒演变进行预测。得到如下结论:建立了Al-Zn-Mg-Cu铝合金Arrhenius和双重多元非线性回归两种本构方程,经验证Arrhenius本构方程能够较好地预测该合金的流变行为。通过正交实验分析,发现变形温度对该合金真应力-应变曲线影响最大,应变速率次之,变形量影响较小。该合金在热变形过程中有少量的动态再结晶,但主要的软化机制是动态回复,动态再结晶组织相对含量会随着变形温度的升高和应变速率的增加而增加,变形组织相对含量则会降低。采用逆问题方法求解了Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板焊接过程中摩擦系数与焊接温度之间的关系,带入数值模拟计算中,温度场模拟与实验结果误差保持在5%以内,准确性较好。通过对温度场的分析发现,在厚板FSW的过程中,搅拌区域越靠近轴肩温度越高,且板材上部和下部温差较大;当焊接速度不变,随着转速增大焊接区域的温度会升高;当转速不变,随着焊接速度的增大焊接区域的温度会降低。模拟了Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板在FSW过程中材料的塑性流场,并且采用CA模型对Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板在焊后的晶粒尺寸及分布进行了模拟研究。发现在Al-Zn-Mg-Cu铝合金厚板FSW的过程中,前进侧的材料会由于搅拌作用向前流动,后退侧的材料会及时填补前进侧材料短暂形成的空洞,这也是在焊接过程中往往前进侧更容易形成缺陷的原因。焊接参数的变化对材料混合区域大小影响不大,且在焊接过程中由于后退侧的材料堆积作用,使得材料混合区域比前进侧更大。搅拌针形状以及焊接温度分布不但会影响塑性流动区域使得其呈现出上大下小的特征,还使得搅拌区上部的晶粒平均尺寸大于底部。除此之外,在水平方向上,离搅拌区越远的晶粒尺寸越大。
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