超聲輔助FSW的振動施加方式與工藝實驗研究.pdf

1、攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)在輕合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域有著較為廣泛的應用。但是，常規(guī)FSW存在焊速較低、焊接載荷較大等問題。為了解決此類問題，研究人員利用超聲振動能量來輔助FSW工藝。超聲振動在減小材料變形抗力、提高焊接效率等方面具有優(yōu)勢。超聲能量的加載方式多種多樣，研究不同超聲振動施加方式對FSW工藝效果的影響，并探尋更合適的振動能量加載方式，對于這種改型攪拌摩擦焊工藝的發(fā)展具有重要的指導意義。
　　本研究搭建了兩種超聲輔助FSW的試驗平

2、臺:一是利用超聲波滾焊機將超聲振動施加在工件平面內(nèi)，即UaFSW;二是將超聲振動施加在攪拌頭前方待焊工件處的深度方向，改進了第一代超聲振動強化攪拌摩擦焊(UVeFSW)試驗設(shè)備。對6 mm厚的2024-T3鋁合金板分別開展了常規(guī)FSW、UaFSW和UVeFSW的工藝試驗，考察和對比了是否施加超聲與不同超聲施加方式時的焊縫成形、微觀組織與力學性能。為探究焊接工藝機理，采取異質(zhì)材料焊接和標記材料示蹤法，研究了攪拌頭周圍的材料流動特征;測量了

3、攪拌頭所受的前進阻力、扭矩和軸向壓力等焊接載荷信息;在工件上某些點安置熱電偶，對焊接熱循環(huán)進行了測量。
　　試驗結(jié)果表明，UaFSW相較常規(guī)FSW，焊核區(qū)的寬度有所增大，攪拌針周圍材料的流動得到增強，這有利于減小或消除較高焊速條件下的焊縫內(nèi)部缺陷。超聲振動在焊核區(qū)的晶粒細化效果不明顯，但促進了焊核區(qū)向熱力影響區(qū)的擴展。接頭的拉伸力學性能受超聲振動的影響較小。UaFSW過程中超聲能量的發(fā)散性較大，超聲振動能夠提高焊核上部的顯微硬度值

4、。超聲振動對焊接時的軸向壓力幾乎沒有影響，但增大了攪拌頭的前進阻力和扭矩。
　　異質(zhì)材料的焊接工藝試驗表明，UVeFSW過程中對接面兩側(cè)的材料混合得更加均勻，基于標記材料的材料流動特征也表明了超聲振動能夠促進材料的后向流動，使攪拌作用得到增強，焊核寬度有所增大，有助于焊接缺陷的消除。觀察焊縫橫截面的微觀組織，發(fā)現(xiàn)施加超聲后各區(qū)域的晶粒尺寸基本不變，但相較常規(guī)FSW，UVeFSW焊縫的焊核區(qū)和熱力影響區(qū)的邊界變得更加圓滑。采用UVe

5、FSW工藝，低轉(zhuǎn)速下接頭的斷后伸長率有所提高，斷裂位置由熱力影響區(qū)和焊核區(qū)向熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移。超聲振動能量有效地傳遞到了焊核區(qū)底部，使焊核中下部的顯微硬度值有所提高。與UaFSW相反，UVeFSW的焊接載荷比常規(guī)FSW的低，這有利于減小攪拌頭的磨損，并延長其使用壽命。UVeFSW中超聲振動對攪拌頭前方待焊區(qū)域具有一定的預熱作用，但超聲的熱效應處于次要地位。在升溫階段，測溫點的溫度在施加超聲振動后，相較常規(guī)FSW，最大提高了約40℃;峰值溫度