孫廣達(dá)，閆中憲，周利，高福洋，呂逸帆

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,威海,264209；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,洛陽(yáng),471000)

0 序言

國(guó)內(nèi)航空航天事業(yè)在21 世紀(jì)取得的巨大成就，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料及異種材料的發(fā)展密切相關(guān)[1].新型結(jié)構(gòu)材料，如鎳基高溫合金和鈦合金，正逐步取代常規(guī)的鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼等材料；異種材料的連接可以最大程度發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊前景[2-3].在多種加工制造方法中，焊接是結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵成形工藝，其中攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)憑借良好實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，已然成為了輕量化結(jié)構(gòu)材料焊接的研究熱點(diǎn)之一[4].作為一種固相連接技術(shù)，F(xiàn)SW 通過旋轉(zhuǎn)的攪拌頭在被焊工件之間產(chǎn)生塑性摩擦熱，使材料軟化并通過機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)焊接.由于FSW 過程峰值溫度僅為材料熔點(diǎn)的60%～80%，因而可以有效避免傳統(tǒng)熔焊帶來(lái)的液化裂紋、元素?zé)龘p等問題[5].在輕質(zhì)高強(qiáng)材料，特別是高熔點(diǎn)材料FSW焊接過程中，由于材料流變應(yīng)力較大，焊縫區(qū)域往往峰值溫度較高，并伴隨較大的過程載荷，因此接頭易產(chǎn)生弱連接、隧道等成形缺陷，并且對(duì)攪拌頭材料高溫力學(xué)性能及耐磨性能提出了更高要求[6-8]；由于異種材料物理性能的差異，在FSW 過程中材料塑化程度不同，會(huì)生成金屬顆粒，阻礙材料流動(dòng)，產(chǎn)生裂紋等缺陷；同時(shí)在異種材料界面處，冶金反應(yīng)會(huì)生成金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)，大多數(shù)IMC的特點(diǎn)是硬而脆，過量的IMC 會(huì)造成接頭脆化[9-15].因此降低輕質(zhì)高強(qiáng)材料流變抗力，控制異種金屬界面生成較薄的IMC層，以實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，并調(diào)控界面分布形成微觀互鎖結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)其高效、高質(zhì)量連接是當(dāng)前攪拌摩擦焊領(lǐng)域研究的前沿及難點(diǎn)問題[16].

金屬材料在高溫或施加超聲作用后原子擴(kuò)散加劇、位錯(cuò)密度降低，成形性能發(fā)生了顯著變化，如塑性提高，形變抗力降低.由此可以通過外加能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊(external energy-assisted friction stir welding,EEAFSW)實(shí)現(xiàn)熱能軟化和機(jī)械能軟化，優(yōu)化接頭性能，解決常規(guī)FSW 過程中存在的問題[17-18].綜上所述，EEAFSW 具有拓寬焊接工藝窗口、降低焊接載荷、減少焊具磨損、優(yōu)化焊接質(zhì)量和提高焊接效率等優(yōu)點(diǎn).文中針對(duì)當(dāng)前典型的外加能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，闡明多物理場(chǎng)耦合作用下焊接過程產(chǎn)熱、材料塑性流動(dòng)行為以及接頭組織與性能調(diào)控機(jī)制，同時(shí)展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì).

1 能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊分類

能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊根據(jù)所應(yīng)用的輔助能量形式，可以大致分為熱能輔助攪拌摩擦焊和機(jī)械能輔助攪拌摩擦焊兩大類，總體框架如圖1 所示，深入研究能場(chǎng)輔助與常規(guī)攪拌摩擦焊過程中材料成形與組織轉(zhuǎn)變可能出現(xiàn)的新現(xiàn)象和新規(guī)律，對(duì)于發(fā)展新的加工方法和改進(jìn)傳統(tǒng)制造工藝具有重要的科學(xué)和工程意義.

圖1 能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊理論與技術(shù)總體框架Fig.1 General framework of theory and technology of energy field assisted friction stir welding

2 熱能輔助攪拌摩擦焊

熱能輔助攪拌摩擦焊技術(shù)利用電磁、激光、電弧、電流等能量源及其特征效應(yīng)，提高材料的熱塑性狀態(tài)，降低焊接載荷與主軸扭矩，解決材料流動(dòng)不足導(dǎo)致的成形缺陷，提高接頭力學(xué)性能，是當(dāng)前正在發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)之一.

2.1 電磁感應(yīng)加熱攪拌摩擦焊

電磁場(chǎng)技術(shù)因其具有獨(dú)特的熱效應(yīng)及力效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于材料加工等領(lǐng)域.Midling 等人[19]提出感應(yīng)加熱攪拌摩擦焊(induction-assisted friction stir welding,IAFSW)方法，利用與主軸同軸或前置于主軸的感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流效應(yīng)對(duì)待焊區(qū)域進(jìn)行局部加熱，如圖2 所示.作為一種非接觸加熱形式，IAFSW 可有效降低對(duì)設(shè)備的要求，擴(kuò)大高強(qiáng)高硬材料的焊接工藝參數(shù)區(qū)間，避免焊接過程不穩(wěn)定帶來(lái)的影響.

圖2 感應(yīng)加熱輔助攪拌摩擦焊設(shè)備[19]Fig.2 Schematic diagram of IAFSW

常規(guī)FSW 過程需要足夠大的頂鍛壓力以保證焊具與母材產(chǎn)生足夠的摩擦熱，對(duì)設(shè)備性能和焊具設(shè)計(jì)制造都提出嚴(yán)苛的要求.采用IAFSW 工藝可以顯著降低頂鍛力或扭矩，提高焊接速度，減少焊具磨損并延長(zhǎng)焊具壽命.Alvarez 等人[20]在5 mm厚超級(jí)雙相不銹鋼焊接中使用感應(yīng)加熱，成功地將頂鍛力降低31%，或在相同頂鍛力下將焊接速度提高一倍，結(jié)果表明感應(yīng)加熱可以顯著提高焊具服役壽命；Singh 等人[21]在AISI 316L 不銹鋼FSW 過程中通過感應(yīng)加熱成功地將焊具磨損降低40%.由于異種材料在物理和冶金性能等方面存在較大差異，焊縫內(nèi)部往往容易產(chǎn)生缺陷.基于異種材料磁導(dǎo)率差異，利用感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行預(yù)熱，以彌補(bǔ)材料在塑性、強(qiáng)度等方面的差異，從而提高接頭的力學(xué)性能;Kaushik 等人[22]在鋁/鋼異種金屬IAFSW 接頭中發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)加熱的熱輸入主要集中在鋼側(cè)，預(yù)熱溫度達(dá)到500 ℃左右，從而顯著減小鋼側(cè)的碎屑顆粒，增強(qiáng)界面處結(jié)合能力，同時(shí)裂紋由原來(lái)的連續(xù)長(zhǎng)條狀變?yōu)閿嗬m(xù)狀，如圖3 所示；Mohan 等人[23]通過原位感應(yīng)加熱和調(diào)整焊具偏置距離的工藝方法，成功解決了AA5052 鋁合金與X12Cr13 不銹鋼的材料流動(dòng)性問題，試驗(yàn)結(jié)果顯示焊核區(qū)晶粒組織細(xì)化，接頭塑性增加.

圖3 鋁/鋼異質(zhì)接頭界面SEM 組織[22]Fig.3 SEM images of normal Al-Steel joint

在上述研究中，感應(yīng)加熱已被證明具備快速響應(yīng)、效率高的顯著優(yōu)勢(shì).然而，該技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，特別是加熱區(qū)域難以精確控制，并且其適用范圍受限于材料的導(dǎo)磁性能，非導(dǎo)磁性材料加熱效率的降低限制了該技術(shù)在更廣泛材料領(lǐng)域應(yīng)用潛力.

2.2 激光輔助攪拌摩擦焊

相比于感應(yīng)加熱，激光具有能量密度大、精確度高、功率容易調(diào)控、與其他焊接方法兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種較為常見的能量輔助方式.Able 等人[24]于2002 年提出激光輔助攪拌摩擦焊(laserassisted friction stir welding,LAFSW)，如圖4 所示.通過激光熱源在工件內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)熱溫度場(chǎng)軟化材料并降低焊接作用力，減少焊具磨損.在復(fù)合熱源的共同作用下，可以有效減少焊接缺陷、改善微觀組織.

圖4 激光輔助攪拌摩擦焊示意圖[24]Fig.4 Schematic diagram of LAFSW

復(fù)合熱源存在“能量有限增強(qiáng)”現(xiàn)象，即復(fù)合后的能量效應(yīng)大于兩者之和.在鋁合金LAFSW 試驗(yàn)中，焊接過程中所消耗的總功率(焊具功率和吸收的激光功率之和)逐漸減小[25].熱源的能量匹配對(duì)焊縫質(zhì)量影響顯著，因此通過改變激光的工藝參數(shù)(功率、位置)探索其對(duì)焊接熱循環(huán)和材料流動(dòng)的影響規(guī)律.預(yù)熱過程是典型的非穩(wěn)態(tài)過程，可用經(jīng)典的有限元理論來(lái)進(jìn)行研究.Ahmad 等人[26]采用Abaqus 軟件建立DH36 鋼FSW 和LAFSW的熱力耦合模型，研究了不同激光偏移距離下焊縫溫度分布和材料流動(dòng)行為.通過模擬結(jié)果(圖5)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光偏移距離20 mm時(shí)，焊縫峰值溫度(約900 ℃)出現(xiàn)在軸肩作用區(qū)域，焊縫前進(jìn)側(cè)溫度均高于后退側(cè)，基于示蹤粒子模擬材料流動(dòng)過程，結(jié)果表明激光熱源的加入使得工件材料在橫向階段運(yùn)動(dòng)更迅速和更遠(yuǎn).這些結(jié)果可以為使用最小熱源距離實(shí)現(xiàn)更高溫度梯度和最小焊接缺陷提供理論指導(dǎo).

圖5 常規(guī)FSW 和LAFSW 過程溫度場(chǎng)分布和材料流動(dòng)[26]Fig.5 Temperature field distribution and material flow conventional FSW and LAFSW processes.(a)temperature field under different heat source distance;(b) material flow state at different times

通過協(xié)同控制熱輸入和應(yīng)變速率，適當(dāng)?shù)妮o助條件可有效控制接頭焊核區(qū)晶粒尺寸，獲得良好的接頭組織.Song 等人[27]研究了激光功率對(duì)鎳基合金LAFSW 接頭晶粒尺寸的影響，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率2 kW時(shí)，焊接速度由300 mm/min 提高到450 mm/min，單位熱輸入的降低使Inconel 600 合金焊核區(qū)(stir zone,SZ)平均晶粒尺寸由3.8 μm 降低到3.2 μm；Sun 等人[28]通過研究激光焦點(diǎn)位置對(duì)S45C 鋼LAFSW 接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)激光焦點(diǎn)作用于攪拌頭前側(cè)10 mm 處可將焊接速度提高至800 mm/min，幾乎是常規(guī)FSW的兩倍；常規(guī)FSW 在自然條件下冷卻形成了馬氏體等組織，通過施加激光預(yù)熱作用，SZ 溫度超過Ac1轉(zhuǎn)變溫度，焊后冷卻過程中冷卻速率降低，形成了珠光體和鐵素體組織，從而顯著改善了接頭的韌性.

綜上所述，LAFSW 由于其在材料適應(yīng)性和工藝方面的多種優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn).由于激光工藝參數(shù)較為復(fù)雜，可利用數(shù)值模擬手段對(duì)激光熱源進(jìn)行建模分析，以探究其對(duì)母材的影響規(guī)律，并指導(dǎo)LAFSW 工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制；此外某些材料，如鋁合金[25,29]等對(duì)激光的反射率高，增加了能源浪費(fèi)，為了克服這一問題，可在被焊材料表面涂覆防反射材料，但涉及工藝較為復(fù)雜.

2.3 電弧輔助攪拌摩擦焊

電弧輔助攪拌摩擦焊(arc assisted friction stir welding,AAFSW)是一種采用等離子弧或TIG 電弧等作為輔助熱源的攪拌摩擦焊技術(shù)，前者稱為等離子弧輔助攪拌摩擦焊(plasma assisted friction stir welding,PAFSW)，其原理與LAFSW 類似，只是預(yù)熱能量的來(lái)源不同，電弧具有能量密度高、穩(wěn)定性好、熱效率高和設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)[30].

通過施加電弧預(yù)熱作用，接頭沿厚度方向溫度梯度降低，塑性材料的流動(dòng)能力顯著改善，進(jìn)而有效抑制接頭孔洞、隧道等體積型缺陷.在電弧放電過程中，電弧的陰極部分由于局部高溫而發(fā)生物質(zhì)的快速蒸發(fā)或噴射，即電弧的陰極霧化效應(yīng).基于此，可避免氧化物顆粒對(duì)材料流動(dòng)性的不利影響.Yi 等人[31]采用AAFSW 成功解決了2 519 厚板鋁合金接頭由于氧化物顆粒和流動(dòng)性不足造成的孔洞缺陷問題，如圖6(a)所示，通過電弧作用，焊核區(qū)彌散分布的氧化物消失，材料向下的流動(dòng)性顯著增強(qiáng).此外，Yaduwanshi 等人[32]采用PAFSW 工藝成功解決了Al/Cu 對(duì)接時(shí)因流動(dòng)性不足造成的孔洞缺陷問題.夏浩[33]采用正面外加TIG 電弧、背部外加預(yù)熱墊板的雙重復(fù)合方案對(duì)616 裝甲鋼進(jìn)行焊接，前進(jìn)側(cè)隧道缺陷得到有效解決.

圖6 電弧對(duì)材料流動(dòng)及金屬間化合物的作用[31]Fig.6 Effect of arc on material flow and intermetallic compounds.(a) material flows;(b) intermetallic compounds

針對(duì)異種材料AAFSW，一方面，需要將電弧與攪拌頭偏置一定距離，以便使電弧熱有足夠時(shí)間傳遞，并使受熱區(qū)域擴(kuò)大到合適范圍[34]，以解決異種材料高溫強(qiáng)度差異引起的流動(dòng)性不對(duì)稱問題.Bang 等人[35]通過TIG 電弧加熱鋁/鈦異種金屬鈦側(cè)，鈦合金顆?；鞠?，Ti 和Al 元素充分混合，SZ 得到較細(xì)小的晶粒組織.另一方面，異種金屬焊接接頭界面不可避免的會(huì)生成IMC，IMC 類型和厚度是評(píng)估接頭強(qiáng)度的必要指標(biāo)，因此通過合理調(diào)控溫度范圍可以控制IMC 形態(tài)，進(jìn)而調(diào)控接頭性能.Bang 等人[36]采用三維傳熱數(shù)值模型預(yù)測(cè)和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，研究了不同TIG 預(yù)熱電流對(duì)鋁/鋼界面IMC 層厚度生長(zhǎng)的影響規(guī)律，如圖6(b)所示.結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)熱電流超過30 A時(shí)，IMC 層有急劇長(zhǎng)大的趨勢(shì)，建議合理控制預(yù)熱溫度.

上述研究表明,電弧預(yù)熱可消除厚板材料由于流動(dòng)性不足造成的體積缺陷，拓寬工藝窗口；在異種金屬焊接中，通過合理調(diào)控電弧工藝參數(shù)可控制IMC 厚度，進(jìn)而優(yōu)化接頭力學(xué)性能.目前關(guān)于高熔點(diǎn)材料PAFSW的相關(guān)文獻(xiàn)較少，是未來(lái)研究的重點(diǎn).

2.4 電流輔助攪拌摩擦焊

與前文所述的輔助熱源來(lái)源于外部不同，電流輔助攪拌摩擦焊(electrically assisted friction stir welding,EAFSW)利用電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱形成內(nèi)部輔助熱源，如圖7 所示，材料在低于常規(guī)熱處理?xiàng)l件下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能相應(yīng)改變(電致塑性效應(yīng))，在焦耳熱與電致塑化效應(yīng)共同作用下，材料的塑性變形能力增強(qiáng)[37].

圖7 電流輔助攪拌摩擦焊示意圖[37]Fig.7 Schematic diagram of EAFSW

對(duì)于不同材料體系而言，電流輔助產(chǎn)生的兩種效應(yīng)占據(jù)不同的主導(dǎo)作用，進(jìn)而影響焊接熱輸入.針對(duì)504L 不銹鋼EAFSW 過程溫度場(chǎng)模擬結(jié)果表明，焦耳熱對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響有限，其主要通過電流的非熱效應(yīng)降低材料的流動(dòng)應(yīng)力和焊接熱輸入，從而降低焊接溫度[38].對(duì)2219-T6 鋁合金研究表明，電流輔助在焊接過程中顯著提高了溫度，從而增加了焊接熱輸入[39].

焦耳熱相當(dāng)于焊接體系的內(nèi)熱源，它將使焊接過程的整體冷卻速度降低，同時(shí)電流能夠影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與原子擴(kuò)散，不僅能改善材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，而且能夠提高材料的綜合性能.Han 等人[40]研究了不同強(qiáng)度的直流電流對(duì)5 mm AZ31B 鎂合金焊縫成形的影響，結(jié)果顯示隨著電流強(qiáng)度的增加，焊縫截面形貌由碗型變?yōu)榕栊?，同時(shí)在厚度方向的溫度梯度降低，微觀結(jié)構(gòu)沿厚度方向均勻性趨于一致.Bai 等人[41]采用EAFSW 工藝對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行焊接發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)和焊核區(qū)之間的不均勻塑性變形得到有效改善，同時(shí)接頭各區(qū)域晶粒細(xì)化，α/β 片層間距減小，過渡區(qū)織構(gòu)類型由柱面織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛婵棙?gòu)，接頭焊核區(qū)織構(gòu)類型與常規(guī)FSW相同，但織構(gòu)強(qiáng)度顯著降低.因此，EAFSW 接頭拉伸性能提高是晶粒細(xì)化、織構(gòu)隨機(jī)化以及塑性變形均勻化等因素綜合作用的結(jié)果.

在異種金屬連接中，界面失效是主要的失效類型，而微觀互鎖結(jié)構(gòu)的形成有利于提升接頭的力學(xué)性能.Liu 等人[37]對(duì)6061 鋁合金和TRIP780 高強(qiáng)鋼進(jìn)行了EAFSW 試驗(yàn)，并對(duì)接頭界面處材料流動(dòng)行為進(jìn)行研究，如圖8 所示，發(fā)現(xiàn)接頭界面處鋼與IMC 之間形成了微觀互鎖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效抑制脆性IMC 附近的裂紋擴(kuò)展，從而提高接頭強(qiáng)度.上述現(xiàn)象可從電塑性角度進(jìn)行解釋，漂移電子促進(jìn)了間隙原子擴(kuò)散和位錯(cuò)滑移，使位錯(cuò)獲得額外的能量擺脫纏結(jié)與釘扎作用，因此顯著提高了材料的塑性變形能力[42].

圖8 不同偏移量鋁/鋼接頭界面形態(tài)[37]Fig.8 Comparison of Al-Fe interface with different offsets.(a) FSW;(b) EAFSW

上述研究表明，通過電流預(yù)熱可以減小沿厚度方向溫度梯度，提高微觀組織的均勻化程度；同時(shí)，電塑性效應(yīng)能夠促進(jìn)異種金屬界面結(jié)合處形成微觀互鎖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)接頭結(jié)合強(qiáng)度.然而，為實(shí)現(xiàn)材料塑化，EAFSW 過程通常需要較大的預(yù)熱電流，這對(duì)設(shè)備的復(fù)雜程度和安全性提出了挑戰(zhàn).

3 機(jī)械能輔助攪拌摩擦焊

機(jī)械能輔助攪拌摩擦焊通過將附加機(jī)械能源(如超聲振動(dòng))集成到常規(guī)FSW，在不升高溫度的前提下減少焊具磨損、改善接頭性能，有效克服預(yù)熱帶來(lái)的雙重?zé)嵫h(huán)等問題.超聲振動(dòng)作為典型的機(jī)械能，具有頻率高、方向性強(qiáng)和能量集中的特點(diǎn)，可降低材料的屈服應(yīng)力和流變應(yīng)力，稱之為Blaha 效應(yīng)[43].近年來(lái)，利用超聲技術(shù)結(jié)合其他的加工方法進(jìn)行生產(chǎn)加工，成為機(jī)械制造領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一.超聲輔助攪拌摩擦焊(ultrasonic assisted friction stir welding,UAFSW)將超聲振動(dòng)引入到FSW 過程中，利用超聲振動(dòng)帶來(lái)的聲致軟化效應(yīng)降低待焊區(qū)材料的屈服應(yīng)力，提高其塑性變形能力，進(jìn)而減小焊具磨損、改善焊縫成形質(zhì)量、提高焊接效率[44].

目前研究表明，超聲主要通過三種施加方式產(chǎn)生影響：超聲橫向施加于攪拌頭，即在焊接過程中通過超聲波的水平橫向振動(dòng)與攪拌頭引起熱－力過程同步耦合，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能；超聲沿軸向施加于攪拌頭，即在焊接過程中引入高頻縱向振動(dòng)，提高焊縫中下部金屬塑性流動(dòng)能力，進(jìn)而獲得高質(zhì)量焊縫；超聲直接施加于工件，以優(yōu)化超聲探頭和攪拌頭的協(xié)同作用，并進(jìn)一步提高超聲能量的利用效率.

3.1 超聲振動(dòng)橫向施加于攪拌頭

Park 等人[45]利用變幅桿與軸承進(jìn)行耦合，研制出橫向施加于攪拌頭的UAFSW 設(shè)備，其基本原理如圖9(a)所示.該設(shè)備的核心是超聲振動(dòng)系統(tǒng)，通過將高頻電振蕩電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝?dòng)機(jī)械能，使超聲振動(dòng)通過超聲器傳遞到攪拌頭，從而實(shí)現(xiàn)超聲與攪拌頭的耦合.

圖9 典型超聲輔助攪拌摩擦焊示意圖Fig.9 Schematic diagram of typical ultrasonic assisted friction stir welding.(a) superposing ultrasonic vibration on FSW tool in horizontal direction;(b)superposing ultrasonic vibration on FSW tool in axial direction; (c) superposing ultrasonic vibration directly to the workpiece

超聲與塑性流變材料的相互作用，涉及更加復(fù)雜的物理過程，是UAFSW 領(lǐng)域的前沿問題.為了探究超聲振動(dòng)與FSW 熱力耦合行為的相互作用機(jī)制，Zhao 等人[44]對(duì)經(jīng)典Norton 摩擦模型進(jìn)行了修正，并引入了聲應(yīng)力功，分析了超聲振動(dòng)對(duì)焊具工件界面接觸狀態(tài)的影響，結(jié)果如圖10 所示，主要包括超聲減摩和聲致軟化效應(yīng).

圖10 超聲作用機(jī)理及對(duì)過程參數(shù)的影響[44]Fig.10 Mechanism of ultrasonic action and its influence on process parameters.(a) relationship between Helmholtz free energy,thermal activation energy and external work;(b) frictional stress at contact interface;(c) plastic viscous stress at contact interface

一方面，超聲振動(dòng)改變了界面材料滑粘比，起到超聲減摩作用；另一方面，聲應(yīng)力功促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低界面塑性粘滯力，產(chǎn)生聲致軟化效應(yīng)；上述兩種效應(yīng)影響了UAFSW 過程產(chǎn)熱和材料流動(dòng).Ma 等人[49]對(duì)6061 鋁合金UAFSW 與常規(guī)FSW 接頭斷裂形式進(jìn)行分析，結(jié)果表明超聲振動(dòng)產(chǎn)生的熱力效應(yīng)改善了焊接過程中的溫度分布和金屬流動(dòng)，促進(jìn)了焊縫晶粒細(xì)化和均勻化，斷裂模式由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆g性斷裂.

超聲與材料作用涉及多尺度，相關(guān)參量的描述和量化非常困難，因此需要明確首要作用機(jī)制和協(xié)同積累效應(yīng).在原子層面，超聲振動(dòng)可降低原子擴(kuò)散能壘，加快元素的擴(kuò)散速率.Tian 等人[50]采用UAFSW 對(duì)鋁/銅異種材料的流動(dòng)行為和接頭力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲處理后界面處Al 和Cu 元素?cái)U(kuò)散更加充分，SZ 密集分布著薄而連續(xù)的Cu 元素層，進(jìn)而增強(qiáng)鋁與銅之間的機(jī)械互鎖和界面結(jié)合長(zhǎng)度，接頭抗拉強(qiáng)度相對(duì)未加超聲時(shí)提高了60.7%.由霍爾-佩奇公式可知，多晶體材料的室溫強(qiáng)度隨晶粒的細(xì)化而提高，通過施加超聲可達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的.Kumar 等人[51]研究了超聲作用對(duì)Al/Mg 異種材料攪拌摩擦焊接頭微觀組織的影響，與常規(guī)FSW 接頭相比，鎂合金側(cè)SZ 晶粒在施加超聲作用下顯著細(xì)化，此外超聲還影響IMC的形成和分布形態(tài).異種金屬AA6061 鋁合金/AZ31B 鎂合金UAFSW 接頭拉伸斷口表明，金屬間化合物β(Al3Mg2)和γ(Al12Mg17)在超聲作用下破碎，接頭的抗拉強(qiáng)度與塑韌性顯著提升[52].

通過將超聲探頭橫向施加于主軸上，實(shí)現(xiàn)了聲致軟化效應(yīng)與攪拌頭的熱力作用的協(xié)同耦合，有效抑制了SZ 缺陷的產(chǎn)生、細(xì)化了晶粒組織，同時(shí)拓寬了焊接工藝窗口.然而這種方法存在超聲能量損失過大的問題，同時(shí)攪拌針在軸向力和水平方向振動(dòng)的復(fù)合作用下會(huì)顯著降低其服役壽命.

3.2 超聲振動(dòng)沿軸向施加攪拌頭

為解決焊縫底部熱輸入不足造成材料流動(dòng)不充分問題，賀地求等人[47]提出了將攪拌針和超聲變幅桿連為一體的設(shè)備，焊接過程中利用超聲的機(jī)械沖擊作用將能量導(dǎo)入到焊縫深層，從而顯著降低材料流變抗力，在應(yīng)力疊加和聲致軟化協(xié)同作用下改善了金屬的流動(dòng).

焊縫的力學(xué)性能問題一直是研究的熱點(diǎn)，包括接頭強(qiáng)度、塑性、疲勞等問題，通過聲致軟化效應(yīng)協(xié)調(diào)不同區(qū)域的塑性變形，可以顯著改善接頭的力學(xué)性能.Zhang 等人[53]對(duì)6 mm 厚7N01-T4 鋁合金UAFSW焊接工藝參數(shù)進(jìn)行探索，研究表明超聲振動(dòng)能量將連續(xù)排列的氧化層破碎為離散顆粒，增強(qiáng)材料的流動(dòng)性，過渡區(qū)(transition zone,TZ)組織變得致密且無(wú)缺陷.此外聲致軟化效應(yīng)使焊縫表面成形更加美觀，局部應(yīng)力集中得到緩解，施加超聲作用后，接頭斷裂位置從NZ 變?yōu)镽S-HAZ，接頭的力學(xué)性能顯著提高.應(yīng)力集中區(qū)域易形成疲勞源，導(dǎo)致構(gòu)件疲勞強(qiáng)度降低，是疲勞失效的主要原因之一.研究表明，添加超聲作用后，SZ 內(nèi)部攪拌針作用區(qū)(pin affected zone,PAZ)和軸肩作用區(qū)(shoulder affected zone,SAZ)過渡處組織趨于一致，緩解SZ/TMAZ 邊界的應(yīng)力集中程度，從而使得接頭疲勞壽命提高20%[54].然而超聲對(duì)于接頭力學(xué)性能的影響并不總是正相關(guān)的，在焊接速度較低時(shí)施加振動(dòng)不會(huì)提高接頭抗拉強(qiáng)度，但會(huì)改善接頭塑性，因此UaFSW 工藝在高轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)更佳[55].

超聲沿軸向施加于攪拌頭，以實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌頭作用區(qū)域材料的精確振動(dòng)，并提高接頭的結(jié)合效果.該施加方式僅適用于薄板焊接，對(duì)于厚板而言，焊具需要承受更大軸向力，這會(huì)顯著減弱振動(dòng)效果.由于過程產(chǎn)熱過高，需要對(duì)超聲設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s.

3.3 超聲振動(dòng)直接施加于工件

基于超聲振動(dòng)的Blaha 效應(yīng)，超聲探頭周圍的材料可以被軟化并參與塑性變形，武傳松等人[48]提出直接將超聲振動(dòng)通過超聲探頭施加在攪拌頭前方待焊工件上的工藝方法，如圖9(c)所示.為了保證超聲的利用效率，需要在焊接過程中對(duì)超聲設(shè)備施加一定的壓力，保證工具頭與被焊工件緊密接觸.此外，超聲探頭與攪拌頭之間應(yīng)保持一定距離，一般為攪拌頭前方20 mm 左右，距離太大則會(huì)導(dǎo)致聲致軟化的滯后現(xiàn)象，從而影響超聲效果[56].

焊縫成形與材料的塑性流動(dòng)行為密切相關(guān)，常規(guī)FSW 過程中材料塑化程度有限，但通過施加超聲波作用，焊縫金屬的塑性流動(dòng)能力得到增強(qiáng).Ma 等人[57]在超聲輔助下，采用小扎入深度、低熱輸入的工藝條件成功實(shí)現(xiàn)了2 mm 厚6061-T6 鋁合金/TC4 鈦合金的焊接，并且在接頭界面底部形成鉤狀結(jié)構(gòu)，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，并增加了界面結(jié)合長(zhǎng)度和機(jī)械互鎖性能.洋蔥環(huán)是由于攪拌針螺紋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致塑化材料在垂直方向上運(yùn)動(dòng)所形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu).Lü等人[58]采用UAFSW 技術(shù)研究了鋁/鎂異種金屬材料流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可以降低焊具與工件之間的摩擦系數(shù)，減弱軸肩對(duì)材料的周期性下壓力，促使向上流動(dòng)的材料充分進(jìn)入SAZ.在SAZ 和攪拌針附近區(qū)域，部分向上的材料和部分向下的材料過度混合，形成渦流運(yùn)動(dòng)軌跡，從而消除了洋蔥環(huán)的形成.

研究表明，超聲波可在焊接過程中促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散，從而增加界面擴(kuò)散層的厚度，并通過減少金屬間化合物的生成來(lái)提高接頭力學(xué)性能.Yu 等人[59]開展鋁/鈦超聲輔助攪拌摩擦搭接焊試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲作用可以增強(qiáng)異種金屬之間的反應(yīng)，增強(qiáng)界面結(jié)合，并顯著提高鋁/鈦攪拌摩擦焊搭接接頭的拉伸性能.織構(gòu)的強(qiáng)度和分布狀態(tài)也是影響接頭力學(xué)性能的因素，超聲作用可以促進(jìn)織構(gòu)轉(zhuǎn)變，使材料性能趨向于理想狀態(tài).Hu 等人[60]研究了2219-T6 鋁合金UAFSW 接頭的織構(gòu)分布，發(fā)現(xiàn)在高熱輸入條件下，常規(guī)FSW 過程中材料摩擦系數(shù)降低，流動(dòng)性減弱，聲致軟化效應(yīng)可以增強(qiáng)塑性金屬的塑性變形能力，SZ的織構(gòu)類型由低應(yīng)變率下的A 型轉(zhuǎn)變?yōu)锽 型.超聲能量的施加還可以促進(jìn)沉淀相的析出，Tarasov 等人[61]研究了超聲能量對(duì)2195 鋁合金接頭沉淀相析出行為的演變機(jī)理，認(rèn)為超聲通過增加應(yīng)變誘導(dǎo)共格亞穩(wěn)相脫離母相共格關(guān)系，促進(jìn)第二相的析出.

為了保證超聲在焊接過程中的有效應(yīng)用，直接作用于工件上的超聲設(shè)備應(yīng)保證與攪拌頭保持同步距離，并穩(wěn)定提供超聲能量以避免外界干擾對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響.因此，整體設(shè)備需要具有一定的負(fù)反饋調(diào)節(jié)能力.

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 預(yù)熱溫度場(chǎng)可以軟化被焊材料，從而降低焊接過程的軸向力、延長(zhǎng)焊具壽命、擴(kuò)大焊接工藝窗口并提高焊接效率.預(yù)熱作用可進(jìn)一步增強(qiáng)材料塑性，避免流動(dòng)性不足導(dǎo)致接頭缺陷，適用于高熔點(diǎn)材料，擴(kuò)大了FSW 應(yīng)用范圍.同時(shí)，增加熱輸入可降低焊縫在厚度方向的溫度梯度，增強(qiáng)組織均勻性，并在異種材料界面處形成微觀互鎖結(jié)構(gòu).

(2) 超聲輔助攪拌摩擦焊能夠有效避免預(yù)熱所帶來(lái)的二次熱循環(huán)，在不增加溫度的前提下軟化材料，提高焊接效率.同時(shí)施加超聲可以降低空位形成能、加速原子擴(kuò)散和增加擴(kuò)散層厚度，并且抑制IMC 形成.此外超聲振動(dòng)能量還可以提高材料的應(yīng)變和應(yīng)變速率，破碎和細(xì)化晶粒，提高材料的疲勞性能.

(3) 當(dāng)前外加能場(chǎng)攪拌摩擦焊技術(shù)仍處于初級(jí)階段，亟需完成從簡(jiǎn)單的物理過程疊加向深入的機(jī)理探索階段進(jìn)行轉(zhuǎn)變.未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索：①探索更多類型的能場(chǎng)，如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)等，并優(yōu)化其參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的焊接；②結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，深入探究焊接過程熱-力-聲-電多場(chǎng)耦合機(jī)制，為焊接過程優(yōu)化提供理論支持；③開發(fā)更加智能化的焊接系統(tǒng)，包括自適應(yīng)控制、在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集等，提高焊接質(zhì)量和可靠性；④將外加能場(chǎng)輔助攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于更多實(shí)際工程中，如航空、航天、高速列車等領(lǐng)域，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進(jìn)程.