超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊技術(shù)的研究進(jìn)展

1、超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊技術(shù)的研究進(jìn) 展丁偉武傳松摘要：針對(duì)筆者團(tuán)隊(duì)前期發(fā)明的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊（ultrasonic vibration enhanced fsw, uvefsw）新工藝，從設(shè)備研發(fā)（超聲振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、超聲振動(dòng) 參數(shù)的表征）、工藝試驗(yàn)（焊縫成形、微觀組織、顯微硬度、拉伸性能、疲勞性 能）與機(jī)理探索（焊接載荷、焊接熱循環(huán)、材料流動(dòng)和組織演變）3方面，綜述 t uvefsw新工藝的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，通過直接向攪拌頭前方的待焊接工件 上施加超聲振動(dòng)能場(chǎng)，改善焊縫成形，減少或消除焊接缺陷，拓寬焊接工藝參 數(shù)窗口以及提高接頭性能。關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;超聲振動(dòng);焊縫成形;微觀組織;

2、力學(xué)性能;焊接載荷;熱循環(huán); 材料流動(dòng)；組織演變;作者簡(jiǎn)介：丁偉（1992），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌曊駝?dòng)強(qiáng)化攪 拌摩擦焊。作者簡(jiǎn)介：武傳松（1959），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹附游?理與工藝過程模擬及測(cè)控。收稿日期:2017-08-24基金：先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（awj-z16-05）research progress of ultrasonicvibration enhanced friction stirweldingding wei wu chuan-songkey laborstory for liquid-solid struetural e

3、volution & processing of materials, minis try of education, shandong university;abstract：for ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (uvefsw) invented by the authors' group, this article reviewed the research progress of uvefsw from 3 aspects of equipment development (including d

4、esign of ultrasonic vibration system and parameter characterization of ultrasonic vibration) , welding test (including morphology, microstructure, micro-hardness, tensilo performancc and fatigue performancc) and mechanism exploration (including welding loads, thermal cycle, material flow and microst

5、ructure evolution) . the results show that uvefsw could improve the weld formation, reduce or even eliminate the void defect, wide n the process-parame ter win dow and improve the mechanical proper ties of the joint by dircctly applying ultrasonic vibration energy field to the workpiece to be welded

6、 in front of the rotating tool.keyword：friction stir welding; ultrasonic vibration; weld formation; microstructure; mechanical properties; welding load; thermal cycle; material flow; microstrueturc evolution;received： 2017-08-24攪拌摩擦焊(friction stir welding, fsw)是一種焊接質(zhì)量高、焊接變形小、 焊接過程綠色環(huán)保的固相連接技術(shù)，目前己成功應(yīng)用

7、到鋁合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。常 規(guī)fsw焊接速度低、焊接載荷大、攪拌頭磨損嚴(yán)重，為解決這些問題，人們研發(fā) 了外加能量輔助fsw技術(shù)，即在常規(guī)fsw的基礎(chǔ)上，輔以激光加熱、電弧加熱、 感應(yīng)加熱、電流加熱、超聲振動(dòng)等，促進(jìn)焊接過程中的材料軟化和塑性流動(dòng)。其 中，在常規(guī)fsw過程中采用各種輔助熱源對(duì)工件進(jìn)行局部預(yù)熱，能有效促進(jìn)材 料軟化，但附加熱輸入過量會(huì)導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)擴(kuò)大與晶粒粗化他。超聲輔助 fsw,利用超聲振動(dòng)能夠降低金屬材料屈服應(yīng)力和流變應(yīng)力的特點(diǎn)，將超聲施加 于fsw的熱-力過程，改善攪拌頭附近的塑性材料流動(dòng)，符合fsw低碳環(huán)保的理 念，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。日前，超聲振動(dòng)的施加方式主要有從

8、橫向施加于 攪拌頭、從軸向施加于攪拌頭、從側(cè)向施加于工件以及從攪拌頭前方施加于工件 4種。其中，武傳松課題組直接將超聲振動(dòng)通過工具頭施加在攪拌頭前方的待焊 工件上，發(fā)明了超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊（ultrasonic vibration enhanced fsw, uve fsw）新工藝。uve fsw的超聲施加方式有若干優(yōu)點(diǎn),如能量損失小、 超聲系統(tǒng)的安裝和耦合方式簡(jiǎn)單、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)。文中將從設(shè)備研發(fā)（超聲振 動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、超聲振動(dòng)參數(shù)表征）、工藝試驗(yàn)（焊縫成形、微觀組織、顯微硬度、 拉仲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)）與機(jī)理探索（焊接載荷、焊接熱循環(huán)、材料流動(dòng)和組織演 變）3方面，介紹uve fsw的最新研

9、究進(jìn)展。1 uve fsw的設(shè)備研發(fā)1.1超聲振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)uve fsw的原理見圖136,超聲振動(dòng)裝置獨(dú)立于fsw設(shè)備，采用階梯圓錐復(fù)合 型變幅桿，變幅桿端部與工具頭相連，整體與工件成一定傾角。超聲波發(fā)生器將 市電轉(zhuǎn)換為20 khz的交流信號(hào)，再經(jīng)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲振動(dòng)機(jī)械能，經(jīng) 變幅桿將振幅放大后，通過工具頭將超聲振動(dòng)施加在攪拌頭前方工件的待焊處， 焊接過程屮工具頭和攪拌頭同步前進(jìn)。圖 1 uve fsw 原理 fig. 1 schematic of uve fsw下載原圖 第1代he fsw設(shè)備采用人工調(diào)節(jié)的方法匹配超聲工具頭和工件之間的接觸壓力, 這種方法靈活性差口人為誤差大。另外

10、，若被焊工件表面不平整，接觸壓力會(huì)隨 z改變，接觸壓力過大會(huì)引起過載，導(dǎo)致超聲振動(dòng)屮斷，接觸壓力過小會(huì)影響 超聲耦合效果。zhong等人36對(duì)此改進(jìn),研發(fā)了第2代uve fsw設(shè)備。采用氣 動(dòng)控制裝置來調(diào)節(jié)超聲工具頭和工件表面間的接觸壓力，其結(jié)構(gòu)見圖236, 改進(jìn)后，超聲工具頭和工件之間的壓力可以定量控制，提高了系統(tǒng)對(duì)工件表面 狀態(tài)的適應(yīng)性，保證了焊接過程的穩(wěn)定。圖2改進(jìn)后的uve fsw系統(tǒng)fig. 2 modified uve fsw system下載原圖1.2超聲振動(dòng)參數(shù)的表征超聲振動(dòng)裝置的參數(shù)主要有超聲波頻率、超聲波振幅、超聲發(fā)生器輸出功率等。 由于超聲在向工件傳遞過程屮存在能量損失，

11、因此對(duì)傳入工件的超聲能量的測(cè) 量與超聲傳遞效率的計(jì)算成為定量分析超聲作用機(jī)理的重要環(huán)節(jié)。血等人40 利用激光多普勒測(cè)振儀對(duì)超聲振動(dòng)頭和工件的振幅進(jìn)行了測(cè)量（見圖340）, 并對(duì)工件不同位置的振幅分布情況（見圖440）進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，振動(dòng) 頭的振幅和能流密度隨振幅輸入比例的增加呈線性增加，工件背面的測(cè)量點(diǎn)在 豎向和橫向的振幅分布呈“金字塔”形狀，距離振動(dòng)源越遠(yuǎn)，振幅越小。圖3振動(dòng)頭的振幅和平均能流密度fig. 3 amplitude of vi brat io n tool head and average energy flow density下載原圖圖 4 試件背面測(cè)量點(diǎn)的振幅 fig

12、. 4 amplitude of measuring points on the back of the specimen 下載原圖2 uve fsw的工藝試驗(yàn)2. 1焊縫成形liu等人41對(duì)比了 6061鋁合金和2024鋁合金在fsw和uve fsw這2種工藝下 的焊縫表面成形，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min,下壓量為0. 05 mm時(shí)，焊縫表面成形見 圖541。結(jié)果表明,超聲振動(dòng)能使焊縫表面更加光滑，其原因可能是超聲振動(dòng) 提高了材料的塑性和流動(dòng)性，降低了材料的粘性。wu等人40拍攝了 2024鋁合 金焊縫橫截面的宏觀形貌，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min,下壓量為0. 05 mm時(shí)，不同焊 接速度時(shí)

13、焊縫橫截面宏觀形貌見圖6宙1，其中，左列是fsw,右列是uve fswo 分析指出，超聲振動(dòng)的施加可以在一定程度上增加焊核區(qū)的寬度，同時(shí)使“洋 蔥環(huán)”中心向下移動(dòng)，這種效果隨著焊接速度的減少和攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高而增 加。圖5焊縫表面成形fig. 5 appearance of the welds下載原圖圖6不同焊接速度時(shí)焊縫橫截面宏觀形貌fig. 6 transverse macrograph of the welds at different welding speed 下載原圖zhong等人36在uve fsw工藝中采用了 2種類型的攪拌針，得到的焊縫橫截面 見圖736,其中左側(cè)為fsw工藝

14、下，后側(cè)為uve fsw i藝下。結(jié)果表明，當(dāng)焊 速較高或轉(zhuǎn)速較低時(shí)，使用圓錐螺紋攪拌針獲得的焊縫屮存在缺陷，施加超聲 振動(dòng)后缺陷的尺寸變小。使用tri-flat攪拌針獲得的焊縫相對(duì)于圓錐螺紋攪拌 針不容易產(chǎn)牛缺陷，施加超聲能夠在一定程度上提高焊接速度。圖7不同焊接速度時(shí)焊縫橫截面宏觀形貌fig. 7 transverse macrograph of the welds at different we 1 ding speed下載原圖2. 2微觀組織liu等人41對(duì)比了 fsw和uve fsw這2種工藝下6061鋁合金焊接接頭的微觀 組織，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min,焊接速度為100 mm/mi

15、n，下壓量為0. 05 mm時(shí)，6061 鋁合金焊接接頭微觀組織見圖8迪。研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)的熱作用使焊核區(qū)的 等軸晶發(fā)生了明顯細(xì)化，從焊核區(qū)的細(xì)晶到熱力影響區(qū)的粗晶的過渡區(qū)域變大, 晶粒組織更加均勻。zhong等人36和wu等人辺1的研究也發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)使后 退側(cè)熱力影響區(qū)的變形程度變大，焊核區(qū)擴(kuò)張。2.3顯微硬度通過對(duì)fsw和uvc fsw焊接接頭的顯微硬度分布進(jìn)行研究，liu等人41發(fā)現(xiàn), uve fsw接頭的焊核區(qū)至熱影響區(qū)的顯微硬度都明顯高于常規(guī)fsw （見圖9a和 9b41j）,但是在焊接接頭的下部區(qū)域出現(xiàn)了相反的情況（見圖9c）,出現(xiàn)這 一現(xiàn)象的原因可能是uve fsw工藝中焊縫底

16、部產(chǎn)熱量增大。zho陽等人36發(fā)現(xiàn),施加超聲后，不同位置的顯微硬度最低值均向焊核兩側(cè) 外移，見圖1036。uve fsw焊縫斷裂于焊縫熱影響區(qū)的碩度最低處，而常規(guī) fsw焊縫則斷裂于熱力影響區(qū)及上部焊核區(qū)，超聲振動(dòng)促使了裂紋朝熱影響區(qū) 的低硬度區(qū)域擴(kuò)展。wu等人40通過研究指出,在接頭上部，拉伸斷裂路徑的主要決定因素是接頭 的不同區(qū)域z間組織變化引起的應(yīng)力集屮，而在屮部和下部，顯微硬度的分布 決定了拉仲斷裂的路徑。圖8 6061鋁合金焊接接頭微觀組織fig. 8 microstructure of aa6061-t4 joints 下載原圖圖 9 6061 鋁合金接頭顯微硬度分布 fig. 9

17、 distribution of microhardness in aa6061-t4 joints下載原圖圖0 2024 鋁合金接頭顯微硬度分布 fig. 10 distribution of microhardness in aa2024-t3 joints 下載原圖2. 4拉伸試驗(yàn)liu等人41研究了接頭拉伸性能。6061鋁合金uve fsw的接頭抗拉強(qiáng)度及伸長 率均高于fsw,當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min,下壓量為0. 05 mm吋，6061鋁合金接頭拉 伸性能見圖ll41o 2024鋁合金fsw接頭以沿晶斷裂為主導(dǎo)，而uve fsw接頭 以延性和脆性的穿晶斷裂為主導(dǎo)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r

18、/min,焊接速度為80 mm/min, 下壓量為0. 05 min見圖1241。圖 1 1 6061 鋁合金接頭拉伸性能 fig. 11 tensile properties of aa6061-t3 joints下載原圖zhong等人36對(duì)比了 uve fsw與ua fsw接頭拉伸性能，ua fsw原理見圖1336, 由超聲波滾焊機(jī)將超聲能量從垂直焊接方向施加在工件平面內(nèi)。uve fsw能提高 低轉(zhuǎn)速下接頭的斷后伸長率，使斷裂區(qū)域由熱力影響區(qū)和焊核區(qū)向熱影響區(qū)轉(zhuǎn) 移，而ua fsw沒有明顯改善接頭的拉伸力學(xué)性能。圖 1 2 2024 鋁合金斷口 sem 顯微照片 fig. 12 sem m

19、icrostructure of fracture surface of aa2024-t3 joints 下載原圖圖 1 3 ua fsw 原理 fig. 13 schematic of ua fsw下載原圖wu等人40指出,當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min,焊接速度為150 mm/min,下壓量為0.05 mm時(shí)，拉伸試樣的斷裂位置見圖141401，常規(guī)fsw接頭主要斷裂在前進(jìn)側(cè)焊核 區(qū)與熱力影響區(qū)的交界處，而uve fsw接頭斷裂位置轉(zhuǎn)移到后退側(cè)焊核區(qū)與熱力 影響區(qū)的交界處。圖4拉伸試樣的斷裂位置fig. 14 fracture location of tens訂e sample 下載原圖2.

20、 5疲勞試驗(yàn)wu等人im進(jìn)行接頭疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在50%存活率時(shí)，常規(guī)fsw接頭與uve fsw 接頭的中值疲勞強(qiáng)度分別為86. 2和103. 74 mpa,分別達(dá)到了母材(107. 92 mpa) 的79. 87%和96. 13%,超聲振動(dòng)提高了接頭的疲勞性能。wu等人40分析疲勞斷口后發(fā)現(xiàn),在裂紋擴(kuò)展區(qū)，uve fsw接頭的疲勞臺(tái)階呈和 互平行、間距均勻的疲勞條帶，而常規(guī)fsw接頭的疲勞臺(tái)階則沒有呈現(xiàn)這種規(guī)律 性。應(yīng)力水平相同、壽命不同吋，疲勞斷口微觀形貌見圖1540o在瞬斷區(qū)，uve fsw接頭的斷口上存在尺寸更小、數(shù)量更多、分布更均勻第二相粒子，與其對(duì)應(yīng) 的韌窩連接也更加緊密，斷口表現(xiàn)出

21、韌性斷裂特征。常規(guī)fsw接頭的斷口上，韌 窩之間的撕裂棱上存在沿晶斷裂，并且存在更多的滑移帶，斷口表現(xiàn)岀脆性和 韌性混合的斷裂特征。3 uve fsw的機(jī)理探索3.1焊接載荷liu等人£111采用測(cè)量攪拌摩擦焊機(jī)電參數(shù)的方法來間接估算fsw和uve fsw焊 接過程中的載荷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min,焊接速度為150 nun/min,下壓量為 0. 1 mm時(shí)，焊接載荷隨時(shí)間的變化見圖16辿，施加超聲振動(dòng)時(shí)，焊機(jī)主軸輸 岀功率、主軸扭矩、和軸向壓力都有一定程度的降低，但是焊接方向上的進(jìn)給力 沒有明顯變化。zhong等人36發(fā)現(xiàn),ua fsw相對(duì)于常規(guī)fsw的焊接載荷有所增 大，

22、當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min,焊接速度為110 mm/min,下壓量為0. 1 mm時(shí)，焊接 載荷隨時(shí)間的變化見圖1736;而uve fsw則比常規(guī)fsw的焊接進(jìn)給力、攪拌頭 扭矩和軸向壓力等焊接載荷均要低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min,焊接速度為110 mm/min,下壓量為0.1 mm時(shí)，焊接載荷隨時(shí)間的變化見圖1836。圖 1 5 疲勞斷口微觀形貌 fig. 15 microstructure of fatigue fracture 下 載原圖3. 2焊接熱循環(huán)liu等人hu測(cè)試了焊縫屮心線正下方的焊縫底部溫度變化，其結(jié)果見圖 191411，超聲振動(dòng)對(duì)焊縫峰值溫度影響很小，但對(duì)攪拌頭前方待焊

23、區(qū)域具有一 定的預(yù)熱作用，工件在單獨(dú)的超聲振動(dòng)作用下的熱效應(yīng)見圖2041o zhong等人 36指岀,超聲的熱效應(yīng)在uve fsw中只起到輔助作用，起主導(dǎo)作用的是超聲的 體積效應(yīng)、表面效應(yīng)等。3. 3材料流動(dòng)liu等人41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)，焊縫橫斷面輪廓見圖211411，超聲振動(dòng)的施加能夠 顯著增加攪拌針周圍變形材料的體積，提高攪拌區(qū)材料的流動(dòng)速度以及應(yīng)變和 應(yīng)變速率。圖 1 6 焊接載荷隨時(shí)間的變化 fig. 16 welding load profile

24、s with time 載原圖圖1 7焊接載荷隨時(shí)間的變化fig. 17 welding load profiles with time 下 載原圖圖1 8焊接載荷隨時(shí)間的變化fig. 18 welding load profiles with time 下 載原圖圖9 焊縫底部焊接熱循環(huán)曲線 fig. 19 weld thermal cycle profiles at the bottom of the we 1 d下載原圖圖2 0超聲工具頭行走速度150 mm/min不帶攪拌頭時(shí)工件熱循環(huán)曲線fig. 20 thermal cycle profiles due to ultrasonic

25、exertion without fsw tool stirring at sonotrode traverse speed of 150 mm/min下載原圖圖 2 1 焊縫橫斷面輪廓 fig. 21 transverse macrograph of welds 下載原 圖zhong等人36采用異質(zhì)材料對(duì)接試驗(yàn)研究了對(duì)接面兩側(cè)材料的混合狀況 (rs:aa6061-t6, as:aa20-24-t3),當(dāng)轉(zhuǎn)速為 800 r/min,焊接速度為 110 mm/min,下壓量為0. 1 mm時(shí)，焊縫橫截面材料流動(dòng)狀況見圖2236,超聲振動(dòng) 能夠促進(jìn)攪拌區(qū)材料從后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)的冋填，使對(duì)接面兩側(cè)材料

26、的混合更充 分。標(biāo)記材料試驗(yàn)表明，ua fsw +超聲對(duì)于焊縫底部的作用非常有限，而uvcfsw 能夠加強(qiáng)工件底部受攪拌作用較弱的區(qū)域的材料流動(dòng)。圖2 2焊縫橫截面材料流動(dòng)狀況fig. 22 macrographs of dissimilar we 1 d cross-section下載原圖3. 4組織演變padhy等人42通過ebsd分析得到再結(jié)晶分?jǐn)?shù)圖，研究了 uve fsw中亞晶粒的 形成，fsw與uve fsw屮再結(jié)晶分?jǐn)?shù)圖見圖2342,研究發(fā)現(xiàn)，fsw的靜態(tài)載荷 能夠在超聲軟化區(qū)累加，有助于誘導(dǎo)亞晶粒的形成，焊核中心處亞晶粒數(shù)量最 多。gao等人3發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)在焊核區(qū)產(chǎn)生了更高的應(yīng)變

27、誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，這意 味著超聲振動(dòng)能夠提高局部應(yīng)變。padhy等人魚11結(jié)合上述觀察總結(jié)出超聲振動(dòng) 的強(qiáng)化效果在焊核區(qū)屮心最強(qiáng)，并向焊核區(qū)邊緣逐漸衰退，見圖2444。圖 2 3 fsw 與 uve fsw 中再結(jié)晶分?jǐn)?shù) fig. 23 recrystallization fraction in fsw and uve fsw下載原圖圖2 4 uve fsw中焊核區(qū)超聲作用效果分布fig. 24 distribution of ultrasonic effect in the we 1 d nugget during uve fsw 下載原圖4結(jié)論與展望課題組發(fā)明和研發(fā)的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊(u

28、ve fsw)新工藝和新設(shè)備，是 對(duì)常規(guī)fsw的有效改型。研究結(jié)果表明，與常規(guī)fsw相比，uve fsw能夠提高接 頭質(zhì)量、改善焊縫組織、提高接頭拉伸性能與疲勞性能，減少焊接載荷、優(yōu)化材 料流動(dòng)與組織演變行為。該方面研究成果發(fā)表之后，獲得了 2項(xiàng)國際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)， 即英國材料、礦物與采礦學(xué)會(huì)仃0m3)頒發(fā)的st町最佳論文獎(jiǎng)(2015 st町best paper prize);材料與冶金領(lǐng)域頂尖期刊acta matcrialia頒發(fā)的acta 生論 文獎(jiǎng)(2015 acta student awards),但是，uve fsw的研究目前還處于初始階 段，如何進(jìn)一步提高超聲與塑性變形材料的耦合效果，如

29、何深入揭示與表征超 聲振動(dòng)在剪切層內(nèi)的作用機(jī)理，以及應(yīng)用于高熔點(diǎn)材料焊接的潛力如何等問題， 仍需要進(jìn)一步的研究與探索。參考文獻(xiàn)1 欒國紅，柴鵬.攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)j.金屬加工(熱加 工),2008 (24) : 19-22. luan guo-hong, chai peng. fsw technology application and development trendj. metal working, 2008 (24) :19-22.2 欒國紅，郭德倫，張?zhí)飩}，等鋁合金的攪拌摩擦焊j.焊接技術(shù)，2003, 32(1) : 1-4 luan guo-hong, guo de-

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