超聲輔助FSW的振動(dòng)施加方式與工藝實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(dòng)能量來輔助FSW工藝。超聲振動(dòng)在減小材料變形抗力、提高焊接效率等方面具有優(yōu)勢(shì)。超聲能量的加載方式多種多樣，研究不同超聲振動(dòng)施加方式對(duì)FSW工藝效果的影響，并探尋更合適的振動(dòng)能量加載方式，對(duì)于這種改型攪拌摩擦焊工藝的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本研究搭建了兩種超聲輔助FSW的試驗(yàn)平

2、臺(tái):一是利用超聲波滾焊機(jī)將超聲振動(dòng)施加在工件平面內(nèi)，即UaFSW;二是將超聲振動(dòng)施加在攪拌頭前方待焊工件處的深度方向，改進(jìn)了第一代超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊(UVeFSW)試驗(yàn)設(shè)備。對(duì)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(yàn)，考察和對(duì)比了是否施加超聲與不同超聲施加方式時(shí)的焊縫成形、微觀組織與力學(xué)性能。為探究焊接工藝機(jī)理，采取異質(zhì)材料焊接和標(biāo)記材料示蹤法，研究了攪拌頭周圍的材料流動(dòng)特征;測(cè)量了

3、攪拌頭所受的前進(jìn)阻力、扭矩和軸向壓力等焊接載荷信息;在工件上某些點(diǎn)安置熱電偶，對(duì)焊接熱循環(huán)進(jìn)行了測(cè)量。
　　試驗(yàn)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(dòng)得到增強(qiáng)，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(dòng)在焊核區(qū)的晶粒細(xì)化效果不明顯，但促進(jìn)了焊核區(qū)向熱力影響區(qū)的擴(kuò)展。接頭的拉伸力學(xué)性能受超聲振動(dòng)的影響較小。UaFSW過程中超聲能量的發(fā)散性較大，超聲振動(dòng)能夠提高焊核上部的顯微硬度值

4、。超聲振動(dòng)對(duì)焊接時(shí)的軸向壓力幾乎沒有影響，但增大了攪拌頭的前進(jìn)阻力和扭矩。
　　異質(zhì)材料的焊接工藝試驗(yàn)表明，UVeFSW過程中對(duì)接面兩側(cè)的材料混合得更加均勻，基于標(biāo)記材料的材料流動(dòng)特征也表明了超聲振動(dòng)能夠促進(jìn)材料的后向流動(dòng)，使攪拌作用得到增強(qiáng)，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(dòng)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(dòng)對(duì)攪拌頭前方待焊區(qū)域具有一定的預(yù)熱作用，但超聲的熱效應(yīng)處于次要地位。在升溫階段，測(cè)溫點(diǎn)的溫度在施加超聲振動(dòng)后，相較常規(guī)FSW，最大提高了約40℃;峰值溫度