法國斯特拉斯堡大學(xué)、哈馬德·本·哈利法大學(xué)及卡塔爾德州農(nóng)工大學(xué)的研究團隊在《前沿控制工程》期刊發(fā)表論文，首次通過同步控制軸向力、轉(zhuǎn)速和焊接速度三項核心參數(shù)，實現(xiàn)了鎳基高溫合金Inconel 718攪拌摩擦焊的精準溫度管理。該技術(shù)有望推動該難焊材料從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)。

Inconel 718因在高溫下仍保持高強度、延展性和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源及汽車領(lǐng)域，但其對焊接溫度波動極為敏感。以往該合金的攪拌摩擦焊試驗僅在極窄參數(shù)范圍內(nèi)成功：轉(zhuǎn)速100至500轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度30至150毫米/分鐘、軸向載荷約35千牛。這些條件雖能細化晶粒并提升顯微硬度，但限制了生產(chǎn)效率，且引發(fā)經(jīng)濟性質(zhì)疑。

研究團隊首先利用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建三維瞬態(tài)模型，模擬硬質(zhì)合金工具與兩塊250×75×3毫米Inconel 718板材間的摩擦生熱過程。模型采用Johnson-Cook塑性模型表征應(yīng)變硬化與熱軟化，結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格的任意拉格朗日-歐拉公式防止網(wǎng)格畸變，Zui終確定10.8萬個單元（平均質(zhì)量0.81）。單次仿真耗時約6.2小時。經(jīng)與已發(fā)表實驗數(shù)據(jù)比對，模型預(yù)測溫度與實測值（距熔核5毫米處）偏差僅約4%，驗證了高保真度。

基于驗證后的模型，團隊掃描關(guān)鍵工藝變量生成數(shù)據(jù)集：軸向力5至50千牛、轉(zhuǎn)速100至600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度50至150毫米/分鐘、軸肩直徑15至25毫米、針直徑4至8毫米。方差分析顯示，焊接速度、軸向力和轉(zhuǎn)速對工件溫度有顯著影響，而軸肩與針直徑無統(tǒng)計學(xué)差異。非線性回歸表明，僅軸向力即可解釋約45%的溫度方差，轉(zhuǎn)速緊隨其后。Zui終回歸模型調(diào)整R平方接近，當目標溫度設(shè)定為700攝氏度時，預(yù)測參數(shù)落在675.16至724.84攝氏度的95%預(yù)測區(qū)間內(nèi)。

靜態(tài)方程無法應(yīng)對動態(tài)過程，團隊進一步在Simulink中嵌入物理洞察，構(gòu)建了包含六個狀態(tài)變量的非線性狀態(tài)空間模型，實時表征瞬時溫度、累積熱能、機械交互及工具位移。隨后設(shè)計并對比了比例-積分-微分（PID）控制器與模型預(yù)測控制（MPC）家族。兩者均分為單變量模式（僅調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，軸向力與焊接速度作擾動）和多變量模式（三項輸入主動調(diào)節(jié)）。

仿真結(jié)果顯示，單變量模式下PID控制器能在寬泛的焊接速度與軸向力范圍內(nèi)將溫度穩(wěn)定在700攝氏度目標值，自動補償轉(zhuǎn)速變化。在多變量與單變量模式的直接對比中，所有控制器均能將溫度控制在可接受范圍，但響應(yīng)特性各異：PID對設(shè)定點變化的響應(yīng)更快；當70秒處溫度設(shè)定點驟降400攝氏度時，多變量控制器出現(xiàn)約30攝氏度的欠調(diào)，而單變量版本過渡更平滑；85秒施加軸向力擾動時，單變量控制器超調(diào)極小，多變量控制器則出現(xiàn)Zui高150攝氏度的超調(diào)；但在100秒的焊接速度擾動測試中，多變量控制器表現(xiàn)更佳，單變量版本漂移達20攝氏度。

溫度精準控制直接決定焊縫表面質(zhì)量與微觀組織。研究指出，溫度過低會導(dǎo)致材料無法充分流動固化，留下氣孔與粗糙焊縫；溫度過高則引發(fā)熱降解。在基準工況（600轉(zhuǎn)/分鐘、90毫米/分鐘、40千牛軸向力）下，控溫使焊縫區(qū)達到約1000攝氏度，獲得約50微米細晶，熔核附近硬度峰值達410 HV。團隊強調(diào)，該框架不僅適用于Inconel 718，其驗證的非線性控制架構(gòu)可遷移至其他高強難焊合金。實際應(yīng)用中，企業(yè)可根據(jù)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性或抗擾動需求，靈活選擇PID或MPC及相應(yīng)的控制模式，從而加速攪拌摩擦焊在大型結(jié)構(gòu)件制造中的規(guī)模化應(yīng)用。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-16。本文為資料編譯。