超声强化搅拌摩擦铆焊铝/钢界面物质交互及IMCs层调控

Friction stir riveting (FSR) combines the characteristics of friction stir welding characterized by metallurgical bonding and mechanical riveting characterized by interlocking bonding. It is a widely-adopted advanced joining technology that can be applied to the joining of dissimilar metals, such as Al/steel, in the field of equipment manufacturing. In response to the existing problems induced by the formation of thick IMCs, this project introduces high power ultrasonic into the FSR process and then proposes a ultrasonic promoted friction stir riveting (UP-FSR) technology. This project investigates the thermodynamic behavior, microstructure of material and dynamic behavior of objects exchanging at the joint interface in the UP-FSR process, and aims to uncover the interaction mechanism of materials at local liquid/solid interface with high temperature under strong ultrasonic vibration, achieve the structural control of the IMCs at Al/steel interface by ultrasonic nonlinear effects, and optimizes the UP-FSR process. The achievements of this project would promote the development of welding and mechanical riveting processes and have a great significance for the scientific research and practical application.

搅拌摩擦铆接（FSR）综合了搅拌摩擦焊接冶金连接与机械铆接机械互锁连接的特点，是目前装备制造中可应用于铝/钢等异种金属结构件连接的一种广受关注的先进连接方法。针对FSR现存铝/钢界面由于高热输入下生成较厚的脆性金属间化合物而降低接头性能的问题，本项目在FSR技术的基础上引入大功率超声，提出超声强化搅拌摩擦铆焊技术（UP-FSR）。本项目对UP-FSR连接过程中的热力学行为、微观结构、超声作用下液/固界面物质交互动态过程进行研究；揭示超声强振动下液/固界面物质交互机制；利用超声非线性效应实现铝/钢界面IMCs的结构调控；通过IMCs调控技术优化UP-FSR工艺。研究成果可同时推动焊接与机械铆接工艺的发展，在科学研究及实际应用方面均具有重要意义。

搅拌摩擦铆接（FSR）其综合了搅拌摩擦焊接冶金连接与机械铆接机械互锁连接的特点；是目前装备制造中可应用于铝/钢等异种金属结构件的连接的一种广受关注的先进连接方法。针对FSR现存铝/钢界面由于冶金结合不充分而产生的孔洞、未焊合和弱连接问题以及高热输入下脆性的金属间化合物降低接头性能的问题，本项目提出了超声强化搅拌摩擦铆焊技术（UP-FSR）。本项目基于铝钢异种材料铆焊特典，设计了三种不同形的貌搅拌针，并实现了铆焊专用搅拌摩擦工具的设计与制备。基于温度场分析，哑铃形搅拌针因符合具有与铝接触区域热输入低、与钢接触区域热输入高的设计理念而在后续试验中被选用。项目对UP-FSR连接过程中的热力学行为、微观结构、界面化合物演变规律进行了系统性研究。揭示超声强振动下局部高温固/液界面物质交互机制。利用超声非线性效应实现了铝/钢界面金属间化合物的结构调控。采用哑铃形搅拌头实现了铝钢异种材料的搅拌摩擦铆焊，详细分析了铆焊过程易产生的焊接缺陷问题，并通过优化搅拌针结构增强机械互锁效应及焊接工艺优化有效提升了焊接接头力学性能。本项目针对铝钢异种金属搅拌摩擦铆焊新工艺的的探索与研究可同时推动焊接与机械铆接工艺的发展，在科学研究及实际应用方面均具有重要意义。