山东大学武传松教授：超声振动强化搅拌摩擦搭接焊（UVeFSLW）工艺及接头质量的研究

【引言】

搅拌摩擦搭接焊（FSLW）作为一种固相连接技术，可以用于连接相同或者不同厚度的试板，而且避免了传统熔焊方法中产生的气孔、裂纹和非金属夹杂等缺陷，同时鉴于其在轻合金焊接中的巨大优势，使其在汽车、轮船和航空航天等领域具有广泛的应用前景。在焊接过程中，由于工件材料发生塑性流动使搭接界面发生迁移从而形成钩状缺陷、冷搭接缺陷等界面缺陷，这些界面缺陷的出现会严重影响接头的力学性能。最近，超声振动因其具有能量利用率高、软化效果好等被广泛应用于金属塑性加工过程中，来提高产品生产效率和质量。因此，本文借助超声振动来改善搅拌摩擦搭接焊工艺以及提高接头性能。

【成果简介】

近日，山东大学的武传松教授（通讯作者）在Science and Technology of Welding and Joining上发表了最新的研究成果“Process and joint quality of ultrasonic vibration enhanced friction stir lap welding”。在该文中，研究了超声振动对6061-T6铝合金搅拌摩擦搭接焊工艺过程及接头质量的影响。

【图文导读】

图1 UVeFSLW焊接过程及接头力学性能测试试样示意图

（a）超声振动强化搅拌摩擦搭接焊过程示意图

（b）接头显微硬度测试位置示意图

（c）剪切拉伸试样尺寸

图2 FSLW和UVeFSLW接头横截面组织形貌（搅拌头转速： 600 rev min−1）

（a）焊接速度为150mm/min

（b）焊接速度为200mm/min

（c）焊接速度为260mm/min

（d）焊接速度为320mm/min

图3 不同焊接速度下的冷搭接缺陷、钩状缺陷高度及有效搭接宽度的比较

（a）冷搭接缺陷

（b）钩状缺陷

（c）有效搭接宽度

图4 不同焊接速度下的FSLW和UVeFSLW接头剪切拉伸测试失效载荷

图5 接头失效模式（ω = 600 rev min−1, υ = 200 mm min−1）

（a）FSLW试样

（b）UVeFSLW试样

图6 接头断口SEM图（ω = 600 rev/min, υ = 200 mm/min）

（a）FSLW试样

（b）UVeFSLW试样

图7 FSLW和UVeFSLW接头在板厚方向上的显微硬度（ω = 600 rev/min, υ = 200 mm/min）

（a）Z=1.5mm

（b）Z=4.0mm

图8 异种铝合金6061-T6/2024-T3搭接接头横截面宏观形貌

（a）横截面取样位置示意图

（b）P1处宏观形貌

（c）P2处宏观形貌

（d）P3处宏观形貌

图9 异种铝合金6061-T6/2024-T3搭接接头P4（见图8）处的宏观形貌

（a）FSLW试样

（b）UVeFSLW试样

图10 异种铝合金6061-T6/2024-T3搭接接头P1-P4（见图8和9）处冷搭接缺陷和钩状缺陷的高度（ω = 600 rev/min, υ = 200 mm/min）

（a）冷搭接缺陷

（b）钩状缺陷

【小结】

超声振动强化搅拌摩擦搭接焊接头强度更高，显微硬度更高，塑性更好。施加超声振动后，接头断裂模式从韧-脆混合断裂形式开始向韧性断裂转变。钩状缺陷很大程度上影响接头断裂模式而失效载荷取决于接头有效搭接宽度。超声能量能够消除接头内孔洞型缺陷，降低钩状缺陷高度，增大有效搭接宽度和层流区（LFZ）宽度。总之，超声振动提高了材料流动性，改善了接头界面形貌，使接头质量更好。

文献链接：Process and joint quality of ultrasonic vibration enhanced friction stir lap welding（ SCI TECHNOL WELD JOI，2018，DOI: 10.1080/13621718.2018.1476084）。