基于声能-强形变界面活化径向增材FSW过程的原子扩散及连接机制

As variants of traditional friction stir welding (FSW), friction plug welding, filling FSW and active-passive filling FSW can be applied to repair the volume defect in metal structures. However, due to weak solid state bonding, kissing bond and even cavity defect always occur at the joining interface between extra-added material and base metal, seriously restricting the practical engineering application of these above-mentioned repairing technologies. The project is based on that the combined effect of stir and ultrasonic can realize the atom super diffusion and then heighten solid state bonding at the joining interface. Ultrasonic aided radial additive FSW (UA-RAFSW) is put forward. On basis of the optimized stir-vibration tool system, thermo-mechanics behavior, strain rate, microstructure and atom diffusion behavior during the welding process and fracture mechanism of repaired region are investigated under the addition of ultrasonic. The atom super diffusion model under the combined effect of stir and ultrasonic is established and the welding mechanism of UA-RAFSW is presented. Whether UA-RAFSW process can be applied to repair the hole using similar material is discussed. The UA-RAFSW process in the project can not only realize to repair the hole with exceeded tolerance, but also accelerate mechanism investigation of solid state welding technologies including traditional FSW. The project owns important scientific significance and practical engineering value.

由常规搅拌摩擦焊演变而来的摩擦塞焊、填充搅拌摩擦焊与主被动填充搅拌摩擦焊等工艺可用于金属结构中体积型缺陷修复，但添加材料与母材间的界面常出现由固态焊合不良而造成的弱连接或孔洞缺陷，严重制约了修复工艺的工程应用。本项目提出利用搅拌与超声耦合作用可实现超扩散的思想来提高连接界面的固态焊合效果，并以超声辅助径向增材搅拌摩擦焊（UA-RAFSW）新工艺为例开展研究。基于优化的搅拌与振动一体化工具系统，研究超声的加入对焊接过程中的材料热力学行为、应变速率、原子扩散行为与修复区断裂行为的影响，建立超声与搅拌耦合下的原子超扩散物理模型，揭示UA-RAFSW的焊接机理，明晰UA-RAFSW工艺实现基于同质材料修补超差孔的可行性。本项目提出的新工艺不仅可进行管管套接与超差孔修复等问题，而且研究成果还将推动包括常规FSW在内的固相焊技术的焊接机理研究，具有重要的科学意义与实际工程意义。

搅拌摩擦焊及其演变技术在用于体积型缺陷修复时需额外添加填充材料，而填充材料（FM）与母材（BM）间的固态焊合效果是影响修复质量的关键因素。以超差孔为对象，本项目提出径向增材搅拌摩擦焊工艺方法。进一步地，基于超声波的高频振动效应可促进原子扩散的思想，本项目提出了超声辅助径向增材搅拌摩擦焊（ UA-RAFSW）工艺方法。利用声能-强变形的共同作用使的填充材料与母材间界面(简写为FM/BM界面)活化，促进连接界面原子扩散与冶金结合，以解决目前金属构件超差孔修复的界面弱连接问题。.本研究基于ABAQUS软件对不同超声施加方式下修复区域的声场响应特征进行分析，得到超声施加在工件上的最优振动效果和最优位置。基于MSC. Marc软件建立适用于UA-RAFSW过程的热源模型，以及不同工艺参数组合下UA-RAFSW过程温度场演变规律。基于ANSYS. Fluent软件阐述不同修复工艺参数对修复区域材料流动行为的影响规律；通过铝/铜异种材料UA-RAFSW工艺对其固态焊合过程的材料流动和原子扩散行为进行研究，明晰流场-声场耦合作用下连接界面处原子扩散行为和材料的应变速率大幅度地提高的规律。.2024-T4铝合金UA-RAFSW过程中，搅拌针扎透水平的FM/BM界面的方式利于避免竖直FM/BM界面底部出现弱连接缺陷；与圆柱形填充材料相比，圆台形填充材料可抑制FM与BM间研磨，使连续宽大的超细晶带消失。UA-RAFSW过程中的超声振动会增强搅拌区的材料流动以及FM/BM界面两侧的材料混合，进而增大搅拌区的面积并细化、均匀化搅拌区的晶粒；促进FM/BM界面的原子扩散速度，进而强化固相冶金效果，利于提高修复孔力学性能并扩宽修复工艺窗口。超声功率为1000 w时候，UA-RAFSW得到的2024-T4铝合金修复孔最大拉伸、压剪强度达到297.3 MPa和214.5 MPa，比超声功率为0 w时的修复孔提高5.5%和3.7%，分别达到了标准机械孔的94.0%和98.6%。修复孔的拉伸断口分布有大量的韧窝，为韧性断裂特征；压剪断口分布有大量撕裂棱和撕裂型韧窝，为韧-脆混合断裂特征。