一、成果信息

  成果名称：轻质合金搅拌摩擦焊接形性一体化调控研究及应用

  完成单位：西北工业大学

  完成人：李文亚，苏宇，褚强，牛鹏亮，申志康，张志函，陈海燕，温泉，杨夏炜，李京龙

  成果简介：随着航空航天、新能源汽车及轨道交通领域对于结构轻量化及高质量焊接需求的持续增长，铝、镁、钛等轻质合金的搅拌摩擦焊接已逐步在上述领域发挥重要作用。然而，对于搅拌摩擦焊接过程中材料流动行为及缺陷调控机制的认识尚显不足，对接头梯度组织引发的非均匀变形特征及其对接头力学性能的影响缺乏深入理解。同时，对于接头多因素复杂载荷下的力学响应行为缺乏系统研究，接头形性一体化调控理论的缺失成为限制该技术在关键高性能构件上推广应用的关键瓶颈。揭示搅拌摩擦焊接接头温度场演变、流场分布特征与缺陷形成机制，明确焊接热输入与热耗散的匹配规律，阐明焊接界面结合机理，是实现接头成形调控的关键，也是提升接头质量的关键科学基础。基于上述需求，本项目在国家自然科学基金、973项目课题、首都航天机械有限公司（211厂）横向课题等支持下，围绕铝、镁、钛等轻质合金搅拌摩擦焊接界面结合行为及接头质量控制开展理论与应用研究，取得了三方面的创新成果：

        (1) 搅拌摩擦焊接温度场及流场演变数值模拟及接头缺陷调控

提出了以塑性变形产热为主导的搅拌摩擦焊接热源机制新模型，基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，建立了完全热力耦合的搅拌摩擦焊接过程数值计算模型，通过测温实验和原子示踪技术验证了模型的可靠性，实现了接头温度场演变与变形行为的高精度预测，系统揭示了焊接工艺参数与搅拌工具特征对接头成形的影响规律。建立了焊接工艺参数与接头组织演变及内部缺陷分布的对应关系，阐明了接头内部缺陷的形成机制，提出了针对性的改善措施，显著提升了搅拌摩擦焊接效率与接头质量。(代表性论文1、2，专利1)

        (2) 搅拌摩擦焊接热平衡调控与接头力学性能不均匀性评价

基于静止单轴肩及单面静止双轴肩搅拌摩擦焊接工艺调控焊接热输入，并创新性地提出了梯度冷却控制热耗散的接头温度场调控新方法，实现了接头不同区域热输入的精确匹配，揭示了热耗散系数对接头温度场分布、组织演变及力学性能的影响规律，阐明了接头梯度组织在非均匀应变硬化、各向异性行为、疲劳循环变形及硬化响应行为等方面的作用机制。解决了接头表面过热氧化、飞边及弧形纹大、焊缝应力集中等问题，提升了接头强度与整体性能，为接头结构设计优化、性能评价体系完善及质量控制提供了理论指导与工艺支撑。(代表性论文3、4、5、6)

        (3) 搅拌摩擦点焊接头界面结合机理新认识与协同双面搅拌摩擦点焊新工艺

无针搅拌摩擦点焊工艺可用于消除搅拌摩擦焊后残留“匙孔”，但其工艺稳定性较差，易产生界面缺陷，限制了技术的实际推广。基于数值模拟与实验相结合的方法，阐明了母材初始表面状态、焊接工具、焊接工艺参数等对点焊接头成形特征和组织演变的影响规律，揭示了接头界面细晶强化及固溶强化机制，大幅提升了点焊界面结合强度。此外，进一步创新性的提出了协同双面无针搅拌摩擦点焊新技术，大幅改善了焊接过程中的金属流动行为，有效抑制了hook缺陷的产生，显著提高了接头力学性能。(代表性论文7、8，专利2)

该项目成果在本领域高水平期刊Acta Mater、J Mater Sci Technol、Mater Design等发表论文180余篇，8篇代表性论文被他引410余次，授权相关发明专利8项，研究成果完善并丰富了搅拌摩擦焊接理论，获得了国内外同行广泛引用与跟踪研究，产生了重要的学术影响。如山东大学武传松教授团队在J Manuf Process (2017, 30: 385-395)发文正面评价该项目调控垫板热耗散成果：“与钢垫板相比，搅拌摩擦焊接过程中采用复合垫板焊缝可获得更细的析出相”；哈尔滨工业大学黄永宪教授在Prog Mater Sci (2021, 115: 100706)上引用了多篇次该项目关于搅拌摩擦焊接头各向异性响应的论述与双轴肩搅拌摩擦焊接头连接区缺陷形成机制的解释；中科院金属研究所马宗义研究员团队在J Mater Sci Technol（2016, 32: 76-88）的论文中对项目消除接头缺陷成果正面评价：“提出了一种有效消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，显著提升了接头力学性能”。在项目执行期间，李文亚教授受邀担任Weld World副主编，Weld Int副主编，Int J Min Met Mater学科编辑/编委，Sci Technol Weld Joi、J Mater Sci Technol、焊接学报等编委，国际焊接学会压力焊专委会摩擦焊分会主席以及固相增材分会共同主席、中国机械工程学会焊接分会常委、中国机械工程学会焊接分会压力焊专委会主任、陕西省机械工程学会焊接分会主任、中国有色金属学会先进焊接与连接专委会副主任、中国机械工业教育协会高等工程教育第四届焊接技术与工程专业教学委员会副主任等。项目培养了长江学者特聘教授1名、青年长江学者1名、研究生30余名。该项目成果已成功应用于航空航天领域大型铝合金贮箱、鱼雷等筒体结构高质量焊接，同时在新能源汽车电池盒、托盘等关键构件的制造中实现了应用，显著提升了相关行业的技术水平，产生了显著的军事、经济及社会效益。

二、主要知识产权（标准、规范）目录

承诺：上述知识产权未曾在已获或正在申报国家级、省（部）级和厅局（地市）级奖励项目中作为支撑材料出现。用于推荐陕西高校科学技术研究优秀成果的情况，已征得未列入成果主要完成人和主要完成单位的权利人（专利指发明人）的同意。

三、代表性论文专著目录

承诺：该表所列论文专著的知识产权归国内所有且无争议，未曾在已获或正在申报国家级、省（部）级和厅局（地市）级奖励项目中作为支撑材料出现。用于推荐陕西高校科学技术研究优秀成果的情况，已征得未列入成果主要完成人和主要完成单位的作者的同意，其中，未列入成果主要完成人的第一作者、通讯作者（含共同第一作者、共同通讯作者）已出具知情同意书面签字意见。因未如实告知上述情况而引争议，且不能提供相应存档备查的证件，本人愿意承担相应责任，并接受处理。

四、公示期限及受理单位意见

1.公示时间：2024年12月6日-12月10日（5个工作日）；

2.公示意见受理单位：

公示期间如对推荐评审结果有异议，请实名书面向学院反映。

联系电话：023-68251265； 电子邮箱：gcjsxydw@swu.edu.cn

工程技术学院

2024年12月6日