外加能場輔助攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀

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)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗室,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)驗室,威海,264209；3.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,洛陽,471000)

0 序言

國內(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，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，會生成金屬顆粒，阻礙材料流動，產(chǎn)生裂紋等缺陷；同時在異種材料界面處，冶金反應(yīng)會生成金屬間化合物(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).文中針對當(dāng)前典型的外加能場輔助攪拌摩擦焊工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，闡明多物理場耦合作用下焊接過程產(chǎn)熱、材料塑性流動行為以及接頭組織與性能調(diào)控機(jī)制，同時展望了未來的發(fā)展趨勢.

1 能場輔助攪拌摩擦焊分類

能場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，對設(shè)備性能和焊具設(shè)計制造都提出嚴(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焊具壽命.Alvarez 等人[20]在5 mm厚超級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，同時裂紋由原來的連續(xù)長條狀變?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 不銹鋼的材料流動性問題，試驗結(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.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)探索其對焊接熱循環(huán)和材料流動的影響規(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，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 過程溫度場分布和材料流動[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，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，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)值模擬手段對激光熱源進(jìn)行建模分析，以探究其對母材的影響規(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材料流動性的不利影響.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 對接時因流動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 電弧對材料流動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)度差異引起的流動性不對稱問題.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生成IMC，IMC 類型和厚度是評估接頭強(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)測和試驗分析相結(jié)合的方法，研究了不同TIG 預(yù)熱電流對鋁/鋼界面IMC 層厚度生長的影響規(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，IMC 層有急劇長大的趨勢，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)熱處理條件下發(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504L 不銹鋼EAFSW 過程溫度場模擬結(jié)果表明，焦耳熱對焊接溫度場的影響有限，其主要通過電流的非熱效應(yīng)降低材料的流動應(yīng)力和焊接熱輸入，從而降低焊接溫度[38].對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，同時電流能夠影響位錯運(yùn)動與原子擴(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)榕栊危瑫r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6061 鋁合金和TRIP780 高強(qiáng)鋼進(jìn)行了EAFSW 試驗，并對接頭界面處材料流動行為進(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)散和位錯滑移，使位錯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，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)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)熱帶來的雙重?zé)嵫h(huán)等問題.超聲振動作為典型的機(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，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)將超聲振動引入到FSW 過程中，利用超聲振動帶來的聲致軟化效應(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，提高焊縫中下部金屬塑性流動能力，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系統(tǒng)，通過將高頻電振蕩電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝訖C(jī)械能，使超聲振動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.為了探究超聲振動與FSW 熱力耦合行為的相互作用機(jī)制，Zhao 等人[44]對經(jīng)典Norton 摩擦模型進(jìn)行了修正，并引入了聲應(yīng)力功，分析了超聲振動對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)位錯運(yùn)動，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.Ma 等人[49]對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，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 對鋁/銅異種材料的流動行為和接頭力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲處理后界面處Al 和Cu 元素擴(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)合長度，接頭抗拉強(qiáng)度相對未加超聲時提高了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，同時攪拌針在軸向力和水平方向振動的復(fù)合作用下會顯著降低其服役壽命.

3.2 超聲振動沿軸向施加攪拌頭

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.

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)材料的流動性，過渡區(qū)(transition zone,TZ)組織變得致密且無缺陷.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，在焊接速度較低時施加振動不會提高接頭抗拉強(qiáng)度，但會改善接頭塑性，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)對攪拌頭作用區(qū)域材料的精確振動，并提高接頭的結(jié)合效果.該施加方式僅適用于薄板焊接，對于厚板而言，焊具需要承受更大軸向力，這會顯著減弱振動效果.由于過程產(chǎn)熱過高，需要對超聲設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s.

3.3 超聲振動直接施加于工件

基于超聲振動的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行為，發(fā)現(xiàn)超聲振動可以降低焊具與工件之間的摩擦系數(shù)，減弱軸肩對材料的周期性下壓力，促使向上流動的材料充分進(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)元素擴(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，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

(1) 預(yù)熱溫度場可以軟化被焊材料，從而降低焊接過程的軸向力、延長焊具壽命、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，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)前外加能場攪拌摩擦焊技術(shù)仍處于初級階段，亟需完成從簡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.未來可以從以下幾個方面進(jìn)行探索：①探索更多類型的能場，如磁場、電場、聲場等，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)值模擬和試驗研究，深入探究焊接過程熱-力-聲-電多場耦合機(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.