超聲能場與攪拌摩擦焊塑性流變材料的耦合作用機理

《超聲能場與攪拌摩擦焊塑性流變材料的耦合作用機理》是依託山東大學，由武傳松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超聲能場與攪拌摩擦焊塑性流變材料的耦合作用機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：武傳松
• 依託單位：山東大學

中文摘要

超聲可降低材料的變形阻力，是一種能耗低、利用率高的輔助能量。前期研究表明，在攪拌頭前方待焊工件上施加超聲能場，可減少材料塑性流變所需的摩擦熱量；降低焊接載荷並改善焊接質量的工藝效果明顯。但超聲改變摩擦攪拌區塑性變形材料行為的機制，尚未闡明。本項目擬研究攪拌摩擦焊接過程中超聲能場與塑性流變材料的相互作用機理。探究超音波在攪拌頭附近塑性變形材料中的傳輸、耦合及作用規律；構建摩擦攪拌區超聲體積效應與表面效應的描述和表征方法；闡明超聲能場改變材料屈服應力和流動應力的物理機制。提出超聲作用下材料本構關係的修正方法，建立超聲能場-應變場-流場-熱場的耦合模型，定量分析和測試超聲能場作用下攪拌頭附近材料塑性流動行為、產熱特點、溫度分布特徵等；實現超聲參量、焊接工藝參數與接頭組織性能之間的最佳化與匹配。為有效地指導超聲能量在攪拌摩擦焊接過程中的合理套用、提升我國高強鋁合金結構的焊接製造水平奠定堅實基礎。

結題摘要

常規的攪拌摩擦焊接（FSW），需要很大的軸向壓力和攪拌頭轉矩來產生足夠的摩擦熱，導致設備體積龐大、攪拌頭磨損、焊接速度較低。超聲振動作為一種機械能，在加工過程中可降低材料的變形抗力。在FSW過程中施加超聲振動，使得攪拌頭周圍的材料更容易發生塑性流動，從而可以改善焊接質量、降低焊接載荷並提高焊接速度。然而，超聲振動對FSW焊接熱過程和塑性材料流動的影響機理仍未闡明。本項目直接將超聲振動施加在攪拌頭前方的待焊工件上，研製了“超聲振動強化攪拌摩擦焊接 (UVeFSW)” 實驗系統；從數值分析和實驗表征兩方面研究了UVeFSW過程中超聲能場與塑性流變材料的相互作用機理。 提出了三種定量表征剪下層內材料流動的實驗方法，分別表征了攪拌頭周圍的塑性變形材料體積、連續流動的材料流速和非連續流動的材料應變和應變速率。基於位錯熱激活理論，分析了超聲振動對塑性變形材料位錯運動的影響，修正了材料本構關係。建立了“超聲能場-熱場-應變場-流場”耦合的UVeFSW數理模型，定量分析了UVeFSW過程中超聲聲壓、聲場能量密度、產熱、傳熱、應變/應變速率、粘度和材料流動的動態變化規律。結果表明，攪拌頭前方的超聲振動能場與塑性變形材料相互作用，降低了材料的塑性變形激活能，產生聲致軟化效應，提高了攪拌頭附近材料的塑性流動性，使得塑性變形材料體積擴大、焊核區晶粒發生細化並改變了晶粒取向、再結晶過程進行得更加徹底。闡明了超聲振動改善焊接接頭組織與性能的物理機制，為提升高強鋁合金結構的焊接製造水平奠定了堅實基礎。 本項目已發表期刊論文31篇（其中，SCI收錄28篇，EI收錄3篇）。在國際會議做特邀大會報告（Plenary/Keynote）3次、邀請報告（Invited）3次。授權發明專利1項。獲得兩項國際學術獎勵。培養出站博士後1人、博士生6人、碩士生4人；有2篇學位論文被評選為2018和2016年度山東省優秀博士和碩士論文。組織舉辦國際會議1次。