超声复合能场焊接新方法及基础理论研究

Problems of weak interface bonding and strength loss always exist in arc welding, friction stir welding, soldering of high strength aluminum alloys and aluminum matrix composites, which have been the bottleneck of lightweight welding manufacturing of large and complex structures. Therefore, this project aims at the research of new methods and fundamental of ultrasonic assisted welding with coupling multiple-fields. Presently, exploratory researches of ultrasonic assisted arc welding, ultrasonic assisted friction stir welding and ultrasonic assisted soldering have proved that ultrasonic assisted welding can improve properties of joints, which has a good potential technology application. However, there are quite a few scientific questions not clear, but needed to be resolved, like physical parameters characterization of ultrasonic complex field, multiple-field coupling and interact mechanism; ultrasonic complex field assisted welding physics and metallurgy; optimum adjustment of ultrasonic welding parameters. This project plans to study the effecting regulations of ultrasonic coupling field to solid and liquid metal, to reveal the mechanism of ultrasonic welding, and to optimize ultrasonic welding process. The bottleneck problem of welding of aluminum alloys and their composites will be solved. The results will provide theoretical foundations for the ultrasonic welding technology of large and complex structure, which is expected to be used in lightweight welding of high-speed train bodies, large rocket fuel tanks and satellite payload platform components.

在高强铝合金、铝基复合材料的电弧焊、搅拌摩擦焊、钎焊中，往往存在连接界面薄弱、接头失强等问题，已成为制约大型复杂构件轻量化焊接制造的瓶颈。为此，本项目拟进行超声复合能场焊接新方法及基础理论研究。目前国内外学者对超声复合电弧焊、超声复合搅拌摩擦焊和超声复合钎焊的探索性研究已经证明，超声复合焊接能够提高接头性能，具有很好的技术应用前景，但还存在尚未阐述清楚而又亟待解决的如下科学问题：超声复合能场物理参量表征、多能量场相互耦合及作用机制；超声复合能场焊接物理、冶金机理；超声复合能场焊接工艺优化调控。本项目拟研究超声复合焊接能场对液态金属和固态金属作用规律，揭示超声复合焊接机理，优化超声复合焊接工艺，解决高强铝合金、铝基复合材料的焊接瓶颈问题，为大型复杂构件超声复合焊接技术与装备的发展及应用奠定理论基础，可望在高速列车车体、大型运载火箭燃料贮箱、卫星有效载荷平台等部件的轻量化焊接制造中获得应用。

在超声复合能场作用规律方面，完成了液态钎料合金/固态母材超声波传播特性及声场变化规律的研究，揭示了超声场、焊接温度与液态金属声压变化对应关系。.完成了超声电弧和钎焊复合能场对焊接熔池和液态钎料作用规律研究，揭示了熔体物性参数及超声参数对声空化强度的影响规律，研究了熔池内液态金属声流动产生的条件及声流对液态金属流动状态的影响规律。.在超声复合低温钎焊方面，完成了超声作用下液态钎料与金属或陶瓷声致润湿铺展机制研究。研究了超声波作用下，不同钎料体系在金属、陶瓷以及铝基复合材料表面的铺展润湿过程，提出超声波辅助钎焊有别于钎剂钎焊的独特铺展润湿规律。.完成了超声复合低温钎焊铝合金Al/Sn界面结合结构设计研究。模拟了Al/Sn界面掺O、Zn、Ag元素的过程及形成的界面层结构，基于O和Zn元素的复合强化，提出了有氧环境下低温超声钎焊铝合金的方法。.完成了超声复合钎焊元素Ti和Al与陶瓷低温化学反应界面结合机理。从热力学和声空化效应角度，阐明了声致效应促进钎料中活性元素在低温下发生活化反应的原因。并在此基础上，提出了铝基复合材料超声复合低温钎焊工艺和基于钎焊连接的铝基复合材料3D打印新技术。.在超声电弧复合焊方面，提出并研制了接触式和非接触式超声-电弧复合焊接系统，完成了超声电弧复合能场下焊缝晶粒细化机制研究，揭示了超声对熔池内晶粒异质形核和超声对熔池凝固过程中晶粒破碎机制，以及超TIG焊缝晶粒细化机制。.完成了超声电弧复合能场下气泡形成、长大与运动行为研究：研究了瞬态空化及稳态空化对熔池内气泡产生及长大的影响，揭示了超声对铝合金TIG焊缝气孔的影响机制。优化了随焊滚动超声复合焊接工艺，获得了超声能与焊接热输入之间的匹配关系。.在超声复合搅拌摩擦焊方面，完成了超声复合FSW新工艺和声致效应机理研究。提出了底部施加超声的静支撑搅拌摩擦焊接新方法并研制了相应的焊接装置。研究了FSW焊缝金属空位密度和分布规律，揭示了声致软化效应机理。阐明了铝合金焊接接头的力学性能提高和焊接工艺窗口显著扩大的本质。