超聲輔助鋁合金攪拌摩擦加工工藝研究

譚學(xué)吉

【摘 ?要】近年來由于輕量化的發(fā)展趨勢，鑄造鋁合金越來越多的應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空航天、軍事和民用工業(yè)等領(lǐng)域，攪拌摩擦加工在鋁合金加工方面有其獨特優(yōu)勢，進(jìn)而攪拌摩擦加工（FSP）也多用于改善這些合金性能的工藝。

通過觀察攪拌摩擦加工合金前后對比，加工后的強(qiáng)度、延展性和可加工性是高于鑄造合金的。文章對鑄鋁101合金薄板進(jìn)行了攪拌摩擦加工和超聲輔助攪拌摩擦加工實驗，通過一系列的針對實驗得出了部分加工工藝參數(shù)的較佳應(yīng)用范圍。

1.課題的主要內(nèi)容

本課題（超聲輔助鋁合金攪拌摩擦加工工藝研究）的主要研究方向：

（1）超聲輔助鋁合金攪拌加工實驗方法的探索與改進(jìn);

（2）探究超聲輔助鋁合金攪拌摩擦加工的最佳的的工藝參數(shù);

（3）超聲在超聲輔助鋁合金攪拌加工工藝中的機(jī)理作用分析探索。

本次實驗應(yīng)用航空薄板材料為鑄鋁101，又稱ZAlSi7Mg 合金。我們可以從表2.1中看出鑄鋁101的組成成分中的化學(xué)成分含量：

2.實驗儀器設(shè)備與工具

攪拌摩擦加工裝置由攪拌摩擦加工裝置和超聲發(fā)生裝置組成，超聲振動系統(tǒng)模塊主要由超聲波電源、超聲攪拌加工頭、超聲換能器、變幅桿、碳刷、滑電環(huán)、變幅桿組成。如果加工過程中，開啟超聲波電源，即為超聲輔助攪拌摩擦加工（UAFSP）;將超聲波電源關(guān)閉，即攪拌摩擦加工（FSP）。

壓板、鋼條、壓板和壓緊螺栓組成夾具，規(guī)格為6mm*4mm*5mm攪拌頭，以及超聲波發(fā)生器。光學(xué)顯微鏡，HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計。

3.實驗方法及工藝過程

3.1攪拌摩擦加工實驗過程

清理工作臺和工件表面，去除鋁板邊緣的毛刺，以避免造成高低不平影響加工區(qū)的質(zhì)量。然后，把被加工工件利用壓板夾持緊，保證工件接觸處緊密平直，確保被加工工件的在加工過程中的平行性。調(diào)整攪拌頭的位置，加工前必須設(shè)置好位置再使用，以確保攪拌頭的沿直線運動并直接接觸工件表面，同時調(diào)整軸肩的壓深位置。最后，當(dāng)壓深位置調(diào)整合適后，這樣加工時滾輪能夠起到有效的壓緊作用，同時冷卻裝置可以同時調(diào)整到合適的冷卻強(qiáng)度。

加工時，啟動主軸電機(jī)，調(diào)整好攪拌頭的位子，然后輸入預(yù)設(shè)的加工轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，然后連接超聲波電源，檢查攪拌頭處是否有超聲振動，當(dāng)超聲振動和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，通過伺服電機(jī)驅(qū)動攪拌頭從加工表面光滑工件的結(jié)合處插入，位移傳感器使攪拌頭到預(yù)定深度，這個時候超聲諧振頻率會發(fā)生一定的變動，在插入深度穩(wěn)定后需要做適當(dāng)?shù)念l率調(diào)整，達(dá)到振動的諧振狀態(tài)，移動工作臺，按預(yù)先設(shè)定好的加工速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，在加工的同時攪拌頭與金屬工件高速摩擦產(chǎn)生巨大的熱，當(dāng)熱量達(dá)到一定值時，材料有可能處于半固態(tài)加工，加工的的同時軸肩壓緊工件材料隨著攪拌頭的前進(jìn)，前方的金屬由于攪拌頭的高速轉(zhuǎn)動移到金屬后方，而攪拌頭前進(jìn)后方留下的空缺不斷地被填補(bǔ)，這樣的過程周而復(fù)始的進(jìn)行就是攪拌摩擦加工過程，實驗結(jié)束后，應(yīng)盡快把攪拌針拔起，防止金屬工件冷卻后固定住攪拌針，關(guān)閉超聲電源，關(guān)閉程序，將實驗工件拿到安全位置，這樣，攪拌摩擦加工實驗過程就完成了。

3.2金相觀察與硬度測試

把焊接完的產(chǎn)品進(jìn)行制備試樣把制備好的試樣放在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下在不同的放大倍數(shù)下觀察金相組織的特點。隨后把攪拌摩擦加工的試樣在HVS-50數(shù)顯維式硬度計進(jìn)行硬度測試對比試驗。

4.實驗結(jié)果分析

在攪拌頭轉(zhuǎn)速為2000rpm加工速度為5mm/min時的鑄鋁合金薄板材可達(dá)到半固態(tài)，而在半固態(tài)條件下超聲的聲流作用可以促進(jìn)材料的流動，同時可以產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，當(dāng)聲波通過液體時，液體各處的聲壓會發(fā)生周期性的變化，相應(yīng)地，液體中的微泡核也會隨超聲頻率發(fā)生周期性的振蕩。

我們可以很好的分析對比在相同的攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)（2000rpm）的情況下加工速度為5mm/min、20mm/min、50mm/min的晶粒大小的差別，明顯看出，拌頭轉(zhuǎn)速為2000rpm加工速度為5mm/min工件的金相組織中晶粒更加細(xì)小、組織更均勻，這也是因為超聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的作用。

分析可得空化和聲流的機(jī)械力使晶粒（枝晶等）破碎引起“形核增殖”[20];空化高壓造成熔體的瞬時局部過冷，減小臨界晶核半徑，從而提高形核率，這稱之為“動態(tài)成核”，其主要表現(xiàn)為形核率增加和晶粒破碎。超聲空化作用可擊碎初生枝晶，在聲流和空化作用的攪拌下，又使其彌散地分布于加工區(qū)區(qū)，同時抑制樹枝晶成長，從而得到細(xì)小、均勻的等軸晶粒。在聲空化效應(yīng)的作用下，加工過程中己結(jié)晶長大的晶粒被急劇的沖擊波打碎，抑制了晶粒的長大，使晶粒得到細(xì)化的同時，晶體也得到了均勻彌散。

對于掃描電子顯微鏡來說，更能夠顯而易見的觀察出在相同的攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)（2000rpm）的情況下加工速度為5mm/min、20mm/min、50mm/min的晶粒之間的差別，明顯能看出經(jīng)過FSP加工得轉(zhuǎn)數(shù)和加工速度為2000rpm/5mm/min試樣的晶粒更為細(xì)小，而晶粒最大的為轉(zhuǎn)數(shù)和加工速度為2000rpm/20mm/min的試樣。這也能夠與電子顯微鏡下相同攪拌頭轉(zhuǎn)速不同加工速度下晶粒的大小做了很好的吻合。在數(shù)顯維式硬度計的測試實驗中如下表2.12：

2.12維氏硬度實驗測量平均值HV

5.結(jié)論

在攪拌摩擦加工中，若在一定的加工參數(shù)下鑄鋁合金薄板可達(dá)到半固態(tài)，而在半固態(tài)條件下超聲的聲流作用可以促進(jìn)材料的流動，同時可以產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，從而可細(xì)化晶粒尺寸、優(yōu)化組織形態(tài)、提高表面硬度。若在一定的加工參數(shù)下材料仍處于固相狀態(tài)，則超聲輔助只有細(xì)化晶粒的作用而并未產(chǎn)生空化效應(yīng)，只是改善材料流動，所以當(dāng)材料處于固相狀態(tài)時熱輸入的大小事影響晶粒大小的因素。熱輸入越大晶粒尺寸越出粗大。

（作者單位：沈陽富創(chuàng)精密設(shè)備股份有限公司）