超聲複合能場焊接新方法及基礎理論研究

《超聲複合能場焊接新方法及基礎理論研究》是依託哈爾濱工業大學，由閆久春擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：超聲複合能場焊接新方法及基礎理論研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：閆久春

項目摘要

在高強鋁合金、鋁基複合材料的電弧焊、攪拌摩擦焊、釺焊中，往往存在連線界面薄弱、接頭失強等問題，已成為制約大型複雜構件輕量化焊接製造的瓶頸。為此，本項目擬進行超聲複合能場焊接新方法及基礎理論研究。目前國內外學者對超聲複合電弧焊、超聲複合攪拌摩擦焊和超聲複合釺焊的探索性研究已經證明，超聲複合焊接能夠提高接頭性能，具有很好的技術套用前景，但還存在尚未闡述清楚而又亟待解決的如下科學問題：超聲複合能場物理參量表征、多能量場相互耦合及作用機制；超聲複合能場焊接物理、冶金機理；超聲複合能場焊接工藝最佳化調控。本項目擬研究超聲複合焊接能場對液態金屬和固態金屬作用規律，揭示超聲複合焊接機理，最佳化超聲複合焊接工藝，解決高強鋁合金、鋁基複合材料的焊接瓶頸問題，為大型複雜構件超聲複合焊接技術與裝備的發展及套用奠定理論基礎，可望在高速列車車體、大型運載火箭燃料貯箱、衛星有效載荷平台等部件的輕量化焊接製造中獲得套用。

結題摘要

在超聲複合能場作用規律方面，完成了液態釺料合金/固態母材超音波傳播特性及聲場變化規律的研究，揭示了超聲場、焊接溫度與液態金屬聲壓變化對應關係。完成了超聲電弧和釺焊複合能場對焊接熔池和液態釺料作用規律研究，揭示了熔體物性參數及超聲參數對聲空化強度的影響規律，研究了熔池內液態金屬聲流動產生的條件及聲流對液態金屬流動狀態的影響規律。在超聲複合低溫釺焊方面，完成了超聲作用下液態釺料與金屬或陶瓷聲致潤濕鋪展機制研究。研究了超音波作用下，不同釺料體系在金屬、陶瓷以及鋁基複合材料表面的鋪展潤濕過程，提出超音波輔助釺焊有別於釺劑釺焊的獨特鋪展潤濕規律。完成了超聲複合低溫釺焊鋁合金Al/Sn界面結合結構設計研究。模擬了Al/Sn界面摻O、Zn、Ag元素的過程及形成的界面層結構，基於O和Zn元素的複合強化，提出了有氧環境下低溫超聲釺焊鋁合金的方法。完成了超聲複合釺焊元素Ti和Al與陶瓷低溫化學反應界面結合機理。從熱力學和聲空化效應角度，闡明了聲致效應促進釺料中活性元素在低溫下發生活化反應的原因。並在此基礎上，提出了鋁基複合材料超聲複合低溫釺焊工藝和基於釺焊連線的鋁基複合材料3D列印新技術。在超聲電弧複合焊方面，提出並研製了接觸式和非接觸式超聲-電弧複合焊接系統，完成了超聲電弧複合能場下焊縫晶粒細化機制研究，揭示了超聲對熔池內晶粒異質形核和超聲對熔池凝固過程中晶粒破碎機制，以及超TIG焊縫晶粒細化機制。完成了超聲電弧複合能場下氣泡形成、長大與運動行為研究：研究了瞬態空化及穩態空化對熔池內氣泡產生及長大的影響，揭示了超聲對鋁合金TIG焊縫氣孔的影響機制。最佳化了隨焊滾動超聲複合焊接工藝，獲得了超聲能與焊接熱輸入之間的匹配關係。在超聲複合攪拌摩擦焊方面，完成了超聲複合FSW新工藝和聲致效應機理研究。提出了底部施加超聲的靜支撐攪拌摩擦焊接新方法並研製了相應的焊接裝置。研究了FSW焊縫金屬空位密度和分布規律，揭示了聲致軟化效應機理。闡明了鋁合金焊接接頭的力學性能提高和焊接工藝視窗顯著擴大的本質。