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回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction Stir Spot Welding,RFSSW)是一种以搅拌摩擦点焊为基础发展起来的固相连接技术。与常规搅拌摩擦点焊相比,这种方法填充了焊接过程中形成的匙孔,可以减小应力集中,提高点焊接头有效承载面积;与电阻点焊相比,这种方法热输入较小,没有熔焊缺陷,适合用于镁、铝等轻质金属的点焊。本文针对2mm厚的AZ91D-H24镁合金进行RFSSW工艺试验,通过有限元数值模拟、焊点形貌和微观组织观察以及力学性能分析,揭示RFSSW接头形成机理,为其在工业领域的应用提供了理论基础。采用Abaqus软件建立了RFSSW三维热力耦合有限元模型,研究了焊接过程中温度场、流场以及材料变形行为。结果表明,AZ91镁合金回填式搅拌摩擦点焊的温度场为非稳态温度场,其关于焊点中轴线呈中心对称分布。焊核区(Stir Zone,SZ)在厚度方向上温度梯度随着焊接过程的进行显著增大。焊接过程中的峰值温度随着下扎速度的减小、下扎深度的增大及焊具转速的升高而上升,其中下扎速度的影响最大。在不同工艺参数下,热机影响区(Thermo-Mechanically Affected Zone,TMAZ)和热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)内的最高温度均低于沉淀相的固溶温度;对于SZ,只有当下扎速度最大时最高温度低于沉淀相的固溶温度。其流场关于焊点中轴线也呈中心对称分布,材料在焊具的搅动作用下围绕焊点的中轴线旋转流动。在下扎阶段,材料进入搅拌针上升形成的空腔中;在回填阶段,空腔内材料被向下挤压回填搅拌套上升形成的空白区域。焊后接头横截面上的等效应变关于焊点中轴线呈轴对称分布,表现为搅拌套搅拌区(Sleeve-SZ,S-SZ)焊后等效应变最大,其次是搅拌针搅拌区(Pin-SZ,P-SZ)和TMAZ。各区域的焊后等效应变随着下扎速度的减小、下扎深度的增大和焊具转速的升高而变大。采用单变量法,研究了不同下扎速度(v=0.3-1.2mm/s)、下扎深度(pd=2.0-3.5mm)与焊具转速(ω=800-1700rpm)下接头成形和微观组织的变化规律。随着下扎速度的增加、下扎深度的减小和焊具转速的升高,接头表面成形越好。通过金相照片,可以得出点焊接头可分为母材(Base Material,BM),HAZ,TMAZ,SZ四个部分,其中焊核区又可细分为S-SZ和P-SZ。随着下扎速度的减小及焊具转速的升高,HAZ和P-SZ晶粒变粗,TMAZ和S-SZ晶粒尺寸减小。TMAZ呈现出较强的织构,而HAZ和SZ内织构较弱。此外,AZ91镁合金的沉淀相由Mg17Al12与Al8(Mn,Fe)5两种相组成。经历了点焊过程的热循环之后,α-Mg基体溶解铝的含量增多,沉淀相表现为Mg17Al12较细小,呈现弥散分布的状态,而Al8(Mn,Fe)5颗粒较大,数目较少。TMAZ和HAZ内的沉淀相密度随着热输入增大而增大,SZ内Al8(Mn,Fe)5相的大小随着热输入的升高而增大,Mg17Al12相的密度则随着热输入的升高而减小。焊点硬度受晶粒大小和沉淀相密度共同影响,HAZ处硬度相对较低,与母材相当,过渡到TMAZ时硬度有所增加,在S-SZ硬度陡增达到峰值,P-SZ硬度有所下降。拉剪测试表明,接头的断裂模式分为沿界面断裂、混合断裂和纽扣断裂三种模式,混合断裂模式下接头能承受的最大载荷最高。采用响应面优化法建立优化模型,结果表明,最佳试验参数为下扎深度2.345mm,焊具转速1368rpm,下扎速度0.672mm/s。试验实测其能承受的最大载荷值为6456.97N。