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采用超声能量辅助搅拌摩擦焊接(FSW)过程,在提高焊接速度、降低焊接载荷、改善材料流动等方面取得了一定成效。目前,研究人员采用了多种模式向FSW过程施加超声振动,如通过轴承向搅拌头施加横向振动,通过复杂装置向搅拌头施加轴向振动,通过滚轮向焊件一侧施加振动,直接向搅拌头前方的待焊工件施加振动,向工件背面的固定点施加振动,等等。然而,这些超声施加方式都不同程度地存在一些问题。研发将超声振动与搅拌摩擦焊接过程高效耦合的新设备和新工艺,对于进一步改善焊接质量、提高焊接效率、提升轻量化结构焊接制造水平,具有重要意义。将XHL7132数控铣床自主改装为搅拌摩擦焊机,通过滚柱将超声振动从横向施加于搅拌头,成功研制了超声辅助搅拌摩擦焊接(UVaFSW)系统。振幅测量结果表明,UVaFSW采用滚柱实现了超声振动向搅拌头的有效耦合,避免了轴承式耦合的能量损耗。超声振动经变幅杆-滚柱工具头-搅拌头传递至工件,实现了搅拌头的热-力作用与超声软化效应的同步耦合。采用自主研发的UVaFSW系统,开展了 6 mm厚的6061-T6铝合金板的常规FSW和UVaFSW对接工艺试验。试验结果表明,UVaFSW能够拓宽工艺窗口,细化焊核区晶粒,改善接头力学性能。在转速600 rpm、焊接速度200 mm/min的条件下,超声的施加使焊缝底部前进侧的孔洞型缺陷完全消除,将获得良好接头的焊接速度提高到280 mm/min。焊核区显微硬度值、接头拉伸强度和断后伸长率均有所提升,焊缝中心及两侧的冲击韧性有所提高。通过力传感器采集焊接载荷,发现UVaFSW能够降低焊接过程中搅拌头的扭矩和轴向压力。在转速600 rpm、焊接速度160 mm/min的条件下,稳定焊接阶段的轴向压力和扭矩分别减少了 11.35%和7.1%。采用热电偶测量焊接热循环,结果表明,UVaFSW并未对工件产生明显的额外热作用,热循环峰值温度与FSW时的情况相当,只是升温速率有所提高,降温速率有所下降。这证明了在UVaFSW焊接过程中,施加的超声振动主要是对材料产生声致软化,而带来的热效应是次要的。开展6061-T6与2024-T3异种铝合金板对接试验来研究UVaFSW中的材料流动。结果表明,UVaFSW超声振动有效地传递至焊缝底部,促进了焊缝两侧塑性材料的迁移。轴肩影响区的深度和宽度均有所增加;在该区不同深度处,材料水平迁移距离均有所提高。搅拌针影响区的边界向两侧扩张;在该区不同深度处,材料水平迁移距离均有所减小,而塑性变形区宽度呈增加趋势,说明材料的上下迁移加剧。在前进侧,材料水平迁移与上下迁移产生了明显的交汇角。在焊缝上部和底部的水平截面中,材料由搅拌头急停产生的匙孔向后方的稳态区过渡时,过渡界面曲率增大,说明搅拌头的旋转能够带动更多的后方金属流动。