超聲波焊接制備鋁基智能復(fù)合材料技術(shù)研究.pdf

1、金屬基智能復(fù)合材料具有自我感知、自我診斷和自我管理能力,相比聚合物基智能復(fù)合材料,具有更高強度,適合在高溫、腐蝕性及惡劣環(huán)境中使用,可滿足更高安全需要等優(yōu)點。本文使用超聲波金屬焊接快速成型方法埋入光纖布拉格光柵(FBG)傳感器至6061鋁基體中來制造金屬基智能復(fù)合材料。對超聲波金屬焊接、光纖傳感器埋入6061鋁基體進行了理論分析和有限元仿真,并對FBG傳感器埋入鋁基體的組織性能和傳感性能實驗結(jié)果進行了可行性研究。
　　 首先,F

2、BG傳感器可埋入金屬基體的兩個關(guān)鍵機制為超聲波金屬焊接的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)。表面效應(yīng)描述的是相互接觸界面的摩擦；而體積效應(yīng)發(fā)生在整個金屬成形過程中,對金屬基體內(nèi)應(yīng)力和塑性變形有較顯著影響?；谶@兩個關(guān)鍵機制建立了材料模型和摩擦模型,并依托所建立的計算分析模型實現(xiàn)了超聲波金屬焊接的熱-機耦合有限元分析,結(jié)果表明在鋁箔片／超聲焊極界面處鋁合金具有最高溫度和最大塑性變形,且最高溫度低于熔點溫度,在焊接壓力為175MPa、超聲振幅為8.4μm、

3、焊接時間為60ms的情況下,最高溫度為357.466℃,隨著焊接壓力持續(xù)增加會出現(xiàn)粘焊現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上進行了光纖傳感器埋入鋁基體的有限元分析,表明FBG傳感器可埋入鋁基體而不至破壞失效。
　　 其次,論文通過實驗方法優(yōu)化了光纖傳感器埋入鋁基體的焊接參數(shù),優(yōu)化參數(shù)為:超聲振幅35μm、焊接時間230ms、焊接氣壓0.5MPa、超聲焊極選用15×15mm的正方形沙磨面。進一步加深了對超聲波金屬焊接的理解:超聲波金屬焊接后,基體材料的

4、硬度得到了提高,特別在光纖周圍；焊件連接強度隨超聲能量和超聲時間的增大而線性增大最后趨于穩(wěn)定；焊接后基體材料的晶粒尺寸幾乎不變,但晶粒取向發(fā)生了變化,使組織各向同性增強。
　　 最后,論文考慮到FBG傳感器埋入金屬基體中極易破壞失效,因此首先對FBG傳感器進行了金屬化保護,并使用優(yōu)化的焊接參數(shù)成功埋入了FBG傳感器。獲得了具備較好溫度傳感性能的金屬基智能復(fù)合材料,說明超聲波金屬焊接制備金屬基智能復(fù)合材料是切實可行的。