超声辅助Al/Mg半固态搅拌摩擦复合机理及接头微观组织演变研究

The application of dissimilar Al/Mg welded joint, which is of light weight and high strength, meets the need of weight saving. To address the problem that constitutional liquation tends to accompany the presence of IMCs during dissimilar friction stir welding of Al and Mg alloys, the current project plans to use the acoustic cavitation effects produced during the propagation of ultrasonic in the liquid weld metal to fragment and disperse the IMCs and thus eliminate their adverse effects. This is a "Passive to Active" approach. Based on the construction of ultrasonic assisted semi-solid friction stir welding system, the relationship between friction stir heat and constituional liquation, the acoustic cavitation effects in the liquid weld metal and their impact on IMCs, Semi-solid rheological behavior of the weld material and evolution of the joint microstructure will be systematically studied in the project, with the aims to reveal the ultrasonic assisted formation of friction stir welded Al/Mg joints and their microstructure evolution mechanism, and provide a new idea on the dissimilar friction stir welding process (e.g. Al/Cu, Al/Fe, Al/Ti alloys).

采用轻质高强Al/Mg异种材料焊接接头是实现构件轻量化的有效途径。针对Al/Mg搅拌摩擦焊过程中材料成分液化容易伴随金属间化合物出现的现象，本项目采用"化被动为主动"的做法，提出在焊缝材料搅拌摩擦出现成分液化，即半固态条件下，利用超声波在液相中形成的声空化效应破碎、弥散生成的金属间化合物,以消除其不利影响。在发明超声辅助半固态搅拌摩擦焊具的基础上，通过系统研究搅拌摩擦产热以及焊缝成分液化的规律、焊缝液化层中的声空化效应及其对金属间化合物的作用机制、半固态焊缝材料的流变行为及其微观组织演变等问题，揭示声场辅助下Al/Mg半固态搅拌摩擦焊接头的形成及微观组织演变机理，为异种材料（如Al/Cu、Al/Fe、Al/Ti等）的可靠连接提供一种新的研究思路。

无论是熔化焊还是固相焊，铝镁异种材料焊缝区无法避免的连续分布的金属间化合物会降低接头力学性能。本研究基于固定轴肩工艺，提出超声辅助铝镁搅拌摩擦焊工艺，利用超声波的声空化和强振动效应改善焊接过程中材料流动行为并起到破碎金属间化合物的目的，从而提高接头力学性能。本项目采用数值模拟与试验相结合的方式进行研究。首先，设计并制造了由固定轴肩体和旋转搅拌头组成的搅拌摩擦焊工具系统，其中搅拌头由同心圆轴肩和螺纹形搅拌针。进行了聚苯乙烯颗粒—水模型物理模拟以及超声辅助铝镁点焊，结果表明，对于半固态材料，高转速有利于扩大超声的空化效应的影响区域；在铝镁点焊时，超声的引入可细化搅拌区内晶粒尺寸且破碎铝镁层间连续的金属间化合物层，有效地改变了点焊接头的断裂模式，从铝镁层间组织断裂转变为从铝镁基体断裂，接头具有韧性断特征。对于对接接头，采用高转速（1200rpm）、低焊速（30~50mm/min）与小偏移量（偏向镁侧0.3mm）的组合进行研究，研究发现无超声作用下当焊接速度为30mm/min和40mm/min均可得到表面光滑且飞边小的无缺陷接头；超声的引入增加了固定轴肩下铝镁焊接的工艺参数范围，即焊接速度为50mm/min时亦可得到成形良好的接头。同时，对于铝镁材料对接焊，超声的施加显著地提高了铝镁异种材料的混合程度，并破碎金属间化合物使其弥散分布于铝镁层间组织中，既有利于增加接头内部机械互锁的能力，也可有效地阻止裂纹的萌生和扩展，提高接头的力学性能。试验发现，当焊速为40mm/min时无超声和有超声下接头最大抗拉强度分别为66MPa和108MPa，超声显著地促进接头力学性能。此外，当焊接速度为50mm/min时，超声下接头抗拉强度和延伸率分别达到120MPa和2.5%；拉伸断口表面局部出现尺寸不一的韧窝，表明韧性断裂特征的存在。.综上，基于固定轴肩搅拌摩擦焊工艺，超声波的引入可破碎铝镁接头内部连续分布的金属间化合物，从而提高接头力学性能，为铝镁材料的焊接提供了一条可供借鉴的技术途径，为推动铝镁异种材料的焊接起到重要作用。