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(qiáng)度,適合在高溫、腐蝕性及惡劣環(huán)境中使用,可滿(mǎn)足更高安全需要等優(yōu)點(diǎn)。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(lái)制造金屬基智能復(fù)合材料。對(duì)超聲波金屬焊接、光纖傳感器埋入6061鋁基體進(jìn)行了理論分析和有限元仿真,并對(duì)FBG傳感器埋入鋁基體的組織性能和傳感性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(gè)關(guān)鍵機(jī)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(gè)金屬成形過(guò)程中,對(duì)金屬基體內(nèi)應(yīng)力和塑性變形有較顯著影響。基于這兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制建立了材料模型和摩擦模型,并依托所建立的計(jì)算分析模型實(shí)現(xiàn)了超聲波金屬焊接的熱-機(jī)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(diǎn)溫度,在焊接壓力為175MPa、超聲振幅為8.4μm、

3、焊接時(shí)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(huì)出現(xiàn)粘焊現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)間230ms、焊接氣壓0.5MPa、超聲焊極選用15×15mm的正方形沙磨面。進(jìn)一步加深了對(duì)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?chē)?；焊件連接強(qiáng)度隨超聲能量和超聲時(shí)間的增大而線(xiàn)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(qiáng)。
　　 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(duì)FBG傳感器進(jìn)行了金屬化保護(hù),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(shuō)明超聲波金屬焊接制備金屬基智能復(fù)合材料是切實(shí)可行的。