超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊工藝及機(jī)理的研究.pdf

1、常規(guī)攪拌摩擦焊接時(shí)需要很大的軸向壓力和攪拌頭轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生足夠的摩擦熱和塑性功來軟化待焊材料，并形成焊縫。這會(huì)導(dǎo)致攪拌頭磨損，并限制焊接速度，尤其是在焊接高強(qiáng)高硬材料時(shí)，這種問題變得更加突出。為了解決這些問題，研究人員通常采用輔助能源（激光、電弧熱、電阻熱、感應(yīng)熱等）來協(xié)助軟化待焊材料，從而降低軸向壓力和攪拌頭轉(zhuǎn)矩，并提高焊速度。這種直接輔助加熱的方式具有一些固有的缺點(diǎn)，例如，會(huì)造成接頭熱影響區(qū)擴(kuò)大和沉淀相長大或溶解等問題，使得接頭力學(xué)性能

2、下降。超聲振動(dòng)能夠在無顯著加熱的條件下軟化金屬材料，因此，在保證攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量的前提下，利用超聲振動(dòng)作為輔助能源，可降低焊接載荷，并提高焊接速度，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　本研究利用超聲波的定向發(fā)射特性，直接將超聲振動(dòng)施加在攪拌頭前方的待焊工件上，形成了“超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊工藝(UVeFSW)”。在工藝和設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)上，開展了6061-T4鋁合金板和2024-T4鋁合金板的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)。分別研究了超聲振

3、動(dòng)對焊縫成形、接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)能夠改善焊縫表面成形，減小甚至消除由材料流動(dòng)不足引起的孔洞缺陷，增大焊縫攪拌區(qū)的截面積，細(xì)化和均勻焊核區(qū)和熱力影響區(qū)的晶粒組織，并改善接頭力學(xué)性能。
　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊的焊接載荷、熱循環(huán)和材料流動(dòng)。焊接載荷的測量采用實(shí)時(shí)采集焊機(jī)電參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化成力矩和力的方法。熱循環(huán)的測量則采用熱電偶測溫法并配以不同的測量位置。測試的結(jié)果表明，在超聲振動(dòng)

4、的作用下，主軸轉(zhuǎn)矩和軸向壓力顯著降低，但是焊接方向上的進(jìn)給力并沒有顯著變化;盡管超聲振動(dòng)體現(xiàn)了一定程度的預(yù)熱作用，但是焊接過程中的峰值溫度并沒有明顯變化。
　　采用標(biāo)記材料示蹤法與金相觀察相結(jié)合的方法來表征材料流動(dòng)。將1060純鋁箔以不同的配置方式夾在基體材料之間，通過攪拌頭“急停”技術(shù)和焊縫“切片”技術(shù)以及特殊設(shè)計(jì)的焊接行程來觀察攪拌頭周圍材料的瞬態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。研究結(jié)果表明，焊縫中主要存在三個(gè)不同的材料流動(dòng)區(qū)域，即材料連續(xù)流動(dòng)