外加能量辅助搅拌摩擦焊的最新研究进展

外加能量辅助搅拌摩擦焊是一种在传统搅拌摩擦焊工艺的基础上加装辅助能量装置以克服传统搅拌摩擦焊技术一些固有缺点的一种新型焊接方法。综述了由激光、电流、电弧、感应加热组成的热能辅助搅拌摩擦焊和由超声振动提供的机械能辅助搅拌摩擦焊的国内外最新研究进展,介绍了上述几种辅助能量搅拌摩擦焊技术的基本原理,并针对各辅助能量搅拌摩擦焊技术优势和不足进行了分析评述,对该领域的未来发展进行了展望。     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

超声辅助搅拌摩擦焊流场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是在搅拌摩擦焊过程中增加超声振动,利用超声波效应改善焊缝组织性能的一种新型金属固态焊接技术。本文基于计算流体力学和弹塑性力学理论,建立了1.8 mm厚2024铝合金超声辅助搅拌摩擦焊流场分析模型。对流场分析发现,超声波的导入能够提高材料塑性流动,同时也扩大塑性流动区域;而焊速的提高,导致前进侧将成为焊缝的薄弱环节。     

2024-T4铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接头组织与性能研究

沿搅拌头方向将超声能量引入对接焊焊缝,利用超声波的振动作用,促进搅拌针周围金属原子的运动和扩散能力,能有效地细化和均匀化焊核区的金属组织,改善焊缝材料的塑性流变行为,增强焊缝底部的搅拌强度,提高搅拌摩擦焊焊接质量和焊接效率。通过对1.8 mm厚2024-T4铝合金进行平板对接焊试验,对比研究了搅拌摩擦焊焊接接头组织与性能。结果表明,超声辅助搅拌摩擦焊能有效减少焊接缺陷,并且接头强度提高了10%,超声辅助搅拌摩擦焊优越性效果明显。     

超声振动对6061-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

利用自主研制的试验装置,通过工具头将超声振动能量施加在搅拌头前方的待焊工件上,研究了超声振动能量对减少焊接缺陷、改善搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响.对6 mm厚度6061-T4铝合金板进行了超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验,并与相同工艺条件下的常规搅拌摩擦焊进行了对比.结果表明,超声振动能够减小焊速/转速比较大时的焊缝内部隧道型缺陷,增大材料对接混合区宽度和焊核区体积,细化焊核区和热力影响区微观组织,提高接头抗拉强度和焊核区显微硬度.     

超声振动对6061-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

利用自主研制的试验装置,通过工具头将超声振动能量施加在搅拌头前方的待焊工件上,研究了超声振动能量对减少焊接缺陷、改善搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响.对6 mm厚度6061-T4铝合金板进行了超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验,并与相同工艺条件下的常规搅拌摩擦焊进行了对比.结果表明,超声振动能够减小焊速/转速比较大时的焊缝内部隧道型缺陷,增大材料对接混合区宽度和焊核区体积,细化焊核区和热力影响区微观组织,提高接头抗拉强度和焊核区显微硬度.     

采用辅助能量的搅拌摩擦焊新工艺

常规搅拌摩擦焊一般需要很大的轴向压力和搅拌头转矩来产生足够的摩擦热和塑性功来软化材料形成焊缝。这会导致搅拌头磨损,并限制焊接速度的提高,尤其是在焊接高强高硬材料时,这种问题变得更加突出。为了解决这些问题,研究人员通常采用辅助能源(激光、电弧热、电阻热、感应热等)来协助软化待焊材料,从而降低轴向压力和搅拌头转矩,并提高焊接速度。然而,对于作为固相连接的搅拌摩擦焊,这种直接加热的方式往往具有一些固有的不足之处。作为一类机械能,超声振动能够在无显著加热的条件下降低金属材料的变形抗力。因此,利用超声振动作为辅助能源,构成超声强化的搅拌摩擦焊新工艺,可改善焊接质量、降低焊接载荷、提高焊接速度,具有很大的发展潜力。文中对这些采用外加辅助能量的搅拌摩擦焊新工艺技术进行了评述,并对该领域下一步的研发方向进行了展望。     

超声振动辅助微挤压成形界面摩擦特性研究

基于超声振动辅助微挤压成形过程摩擦特性表征需求，将超声振动辅助双杯挤压实验拆分为超声振动辅助正杯挤压和反杯挤压两个部分。通过超声振动辅助T2紫铜正杯挤压和反杯挤压的对比成形实验研究了不同超声振动模式辅助微挤压成形过程中试样-模具型腔间的界面摩擦特性，并提出一种量化评价新方法来评估超声振动辅助微挤压成形试样-模具型腔间摩擦应力及摩擦因数的变化规律。结果表明，微挤压成形应力降低值和试样-模具型腔间的摩擦应力降低值都随着超声振幅的增大而增大，且随着工具超声振动、工具-工件复合超声振动和工件超声振动的不同超声振动模式顺序依次增大。     

超声振动对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

通过超声工具头直接将超声振动施加在搅拌头前方的待焊工件上,在超声振动的条件下对工件进行搅拌摩擦焊,并开展了试验研究,考察了超声振动对6 mm厚6061-T6铝合金平板搅拌摩擦焊焊缝表面成形、截面轮廓、内部缺陷的影响。试验结果表明,施加超声使焊缝表面成形更加光滑美观,接头搅拌区的体积有所增大,在部分工艺参数下能够消除焊缝内部产生的孔洞缺陷。     

超声对不同铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响

利用自行研制的超声搅拌摩擦焊机分别对2219,7A52,LF21铝合金进行了常规搅拌摩擦焊和超声搅拌摩擦焊两种不同焊接的试验,并对常规搅拌摩擦焊与超声搅拌摩擦焊焊缝的微观组织、拉伸断口形貌进行了对比分析.结果表明,超声搅拌摩擦焊与常规搅拌摩擦焊相比热影响区几乎消失;超声搅拌摩擦焊焊缝焊核区组织比常规搅拌摩擦焊焊核区组织晶粒更加细小;断口扫描电镜图显示母材断口韧窝具有非等轴状待征,韧窝边上撕裂棱明显表明为韧性断裂;超声搅拌摩擦焊断口韧窝撕裂棱不明显;超声搅拌摩擦焊比常规搅拌摩擦焊的平均抗拉强度有所提高,但断后伸长率有所降低.     

基于超声搅拌摩擦焊的变幅杆设计与仿真研究

超声搅拌摩擦焊接装置有助于解决搅拌摩擦焊技术在厚板焊接上的难题,变幅杆能将换能器输出端只有几个μm的超声振动放大至实际需要的几十至几百μm数量级,并带动搅棒针作超声波振动.为满足不同形状变幅杆的设计,导出了变截面变幅杆的振速分布函数和应力分布函数,设计了超声搅拌摩擦焊变副杆,并利用MATLAB进行了数值仿真计算,仿真结果表明:在变幅杆输出端(X=160 mm)附近,振动速度达到最大值,整个超声系统的前后端振速比约为10倍,满足实际应用的要求.     

6061-T6铝合金超声振动强化搅拌摩擦焊接头组织与性能

将超声振动施加在搅拌头前方的待焊工件上,开展了6061-T6铝合金板超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验。通过显微组织观察、拉伸试验和显微硬度测试来评价接头组织与性能,比较了超声振动条件下的接头组织与性能与常规搅拌摩擦焊接头的差异。试验结果表明,超声振动细化了焊核区和热机影响区的晶粒组织,提高了接头抗拉强度、断后伸长率和显微硬度。     

超声辅助铝/钛搅拌摩擦搭接接头的成形和组织

借助超声波辅助的方法对铝/钛异种合金进行搅拌摩擦搭接,研究超声波作用对接头的成形和组织的影响. 结果表明,当超声波施加在铝板时,接头的钩状缺陷较高,且会出现孔洞缺陷;当超声施加在钛板时,接头无缺陷. 超声振动能够增大铝/钛界面扩散层的厚度,对接头性能的提高起到一定的促进作用. 当搅拌头转速为300 r/min时,界面扩散层厚度较薄;当搅拌头转速升高至500 r/min时,界面生成一层厚度约为1 μm的金属间化合物. 超声辅助焊接可明显提高接头的断裂载荷.     

超声辅助搅拌摩擦焊对AZ91-C镁合金显微组织和力学性能的影响（英文）

将超声辅助搅拌摩擦焊(UaFSW)与传统搅拌摩擦焊(FSW)相比,研究超声振动对AZ91-C镁合金显微组织和力学性能的影响。当FSW的转速为1400 r/min、焊接速度为40 mm/min时,没有观察到缺陷。在相同条件下,引入振幅为15μm超声振动,用光学显微镜和扫描电镜观察样品的显微组织。结果显示,与传统FSW相比,Ua FSW焊缝的显微组织更细小,原先粗大的β-Mg_(17)Al_(12)枝晶被分离成非常细小、部分球形的颗粒,且均匀分布在α-Mg基体中。在超声振动和搅拌摩擦的共同作用下,材料产生严重的塑性变形,使显微组织发生明显的变化。焊缝拉伸和硬度测试的结果显示,超声振动大大提高传统FSW接头的力学性能,UaFSW焊缝的抗拉强度和硬度分别从195 MPa和HV 79提高到225 MPa和HV 87。     

LF21超声搅拌摩擦焊接头组织及性能分析

利用超声波对金属塑性成形作用对LF21铝合金进行了超声搅拌摩擦焊接试验,并对常规搅拌摩擦焊与超声搅拌摩擦焊接头的微观组织、断口形貌进行了对比分析.结果表明,超声能量通过搅拌头有效地导入焊缝底部,在增加焊缝底部搅拌强度的同时,提高了搅拌针周围金属原子的运动和扩散能力,焊核区的金属组织有明显的晶粒细化和组织均匀化.超声搅拌摩擦焊断口韧窝数量与深度均不及常规搅拌摩擦焊,撕裂棱不明显;超声搅拌摩擦焊可以提高接头力学性能,但平均断后伸长率相比常规搅拌摩擦焊有所下降.     

超声振动辅助铣削加工钛合金表面摩擦磨损性能研究

目的研究超声振动辅助铣削加工钛合金表面形貌及摩擦磨损性能的优势。方法将0、6、12μm的超声振动振幅分别施加到铣削加工的进给方向加工TC4钛合金,得到不同加工参数条件下的表面形貌。用多功能扫描电子显微镜观察不同条件下的微观表面形貌,并且对不同表面的摩擦磨损性能进行了测试,分析了超声振动对表面摩擦磨损性能的影响。结果施加超声振动后,表面微观形貌与传统铣削加工存在较大区别。表面微观形貌不仅存在因进给速度产生的进给划痕,还存在一定规律的微观织构。摩擦磨损试验分析了干摩擦与润滑脂摩擦两种情况。干摩擦条件下,超声振动对摩擦系数的影响较明显,振幅为6μm时,摩擦系数有所减小;振幅为12μm时,摩擦系数有所增大。脂润滑条件下,摩擦系数变化较小。结论通过超声振动辅助铣削可以加工出具有一定微观形貌的表面织构,这些微织构的存在影响了加工表面的摩擦磨损性能,对于研究表面抗磨减阻性能有一定的作用。     

汽车轻量化铝合金材料的搅拌摩擦焊研究现状

铝合金作为汽车轻量化材料在汽车零部件应用中的比重日益增长,搅拌摩擦焊作为一种新型绿色固相连接技术受到了行业青睐。主要针对铝合金材料的搅拌摩擦焊研究现状进行概述,其主要分为传统搅拌摩擦焊和辅助搅拌摩擦焊,其中传统搅拌摩擦焊从搅拌头形状、n/v比值、下压量和填充材料进行了陈述,并通过热能辅助（电流、电弧、激光）与超声波辅助阐述了铝合金的辅助搅拌摩擦焊。     

超声振动辅助铝合金板冲裁研究

为了探究振幅和冲裁间隙对冲裁结果的协同作用规律,以6061铝合金板材为研究对象开展超声振动辅助冲裁试验(振动频率为20 k Hz)。超声振动辅助摩擦试验结果表明:超声振动的介入使得摩擦系数显著降低,且在低振幅条件下超声振动对于摩擦系数的影响更为明显。超声振动辅助拉伸试验表明:材料在施加超声振动后,流动应力立即下降,表现为明显的"软化"现象。在Deform-2D超声振动辅助冲裁模拟中将超声振动辅助摩擦试验和超声振动辅助拉伸试验获得的摩擦系数和流动应力随振幅的变化规律赋予板材,间接模拟超声振动对6061铝合金板材冲裁的影响规律。最后结合超声振动辅助冲裁试验得出结论:在不同冲裁间隙下,加入超声振动后,冲裁力的降低程度不同。超声振动幅参数对6061铝合金板材冲裁的影响非常显著;合理的超声振动冲裁参数既能减小冲裁力,又能提高冲裁断面质量。     

6061-T6铝合金超声辅助搅拌摩擦加工的微观组织特征

对6 mm厚的6061-T6铝合金板分别进行超声辅助搅拌摩擦加工(UAFSP)和搅拌摩擦加工(FSP),研究超声振动对搅拌摩擦加工金属流动和组织演变的影响。研究结果表明:超声振动可显著降低加工过程的轴向压力,并提高金属塑性流动能力。UAFSP焊核区峰值温度较FSP的更高,导致UAFSP焊核区的晶粒略大于FSP的。UAFSP和FSP的显微硬度分布曲线均呈现典型的"W"型特征。UAFSP和FSP焊核区的硬度相当,析出相发生回溶。与FSP相比,UAFSP的软化区向母材方向偏移,后退侧偏移距离更大,软化区存在大量棒状β'相,是导致其硬度最低的主要原因。距焊核区中心等距离位置UAFSP热影响区的硬度较低,这是由于UAFSP的热影响区β'相数量更多导致的。     

复合热源搅拌摩擦焊技术概述

复合热源搅拌摩擦焊是在传统搅拌摩擦焊工艺的基础上,以常用焊接热源作为辅助热源的搅拌摩擦焊技术,旨在克服传统搅拌摩擦焊工艺的缺点和不足.文中概述了由等离子弧、火焰、激光、钨极氩弧、电流辅助、感应加热、超声波等辅助的复合热源搅拌摩擦焊的原理、国内外研究及应用,并对该领域的发展趋势进行了展望.