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超声波金属快速增材制造成形机理研究进展(五)

3.4 摇超声波固结金属界面成形机理
        金属叠层复合材料与结构中, 界面对其内载荷的传递、微区应力和应变分布、残余应力、增强机制和断裂过程都有着极为重要的作用, 所以研究金属叠层材料界面结构及其成形机理非常重要。

        国内目前常用的超声波金属焊接工艺主要有, 点焊、滚焊和缝焊等, 尽管缺乏大功率金属焊接装备, 但是国内利用超声波金属点焊工艺对金属界面的成形机理进行了相当多的研究。例如: 南昌大学熊志林等 基于超声波点焊在研究6061 铝合金超声波焊接接头的组织及性能时, 发现超声波点焊可有效焊接6061Al 合金,而且界面成分分析结果显示短时超声波能量作用后界面原子有一定的扩散并在界面形成了新相, 由此得出在界面材料塑性变形和原子扩散共同作用下形成了结合较好的超声波点焊Al6061 接头。朱政强等展开了6061铝合金和Ti6Al4V 钛合金异种金属材料超声波焊接研究, 发现超声波焊接时间为170 ms, 压力为0.4 MPa 时可有效焊接6061 铝合金和Ti6Al4V 钛合金异种金属材料, 而且界面成分分析后得出焊接过程中Al 原子和Ti原子在界面存在0.4 μm 的扩散层。
     
        近年来, 随着超声波增材制造技术的发展, 国内外关于超声波增材制造技术制备的叠层金属材料界面形成机理成为研究热点之一。Kong 等将超声波固结界面结合机制分两种:淤体积结合效应; 于表面结合效应。体积结合效应包括由于声软化和热软化使材料屈服应力降低而产生的弹性变形和塑性变形; 表面结合效应包括可去除氧化膜而使材料紧密接触的界面摩擦变形和剪切变形, 并且利用热电偶和红外照相机等技术测量超声波固结过程中的温度场。Sriraman 等和Yang 等通过在层间安装热电偶来测量温度。De Vries研究发现利用红外相机测量温度也是一种非常有效的方法, 因为红外相机可很容易地测得整个区域的温度分布。Koellhoffer 等在超声波固结设备上安装红外相机分析了不同固结参数在基板-带材界面和带材-带材界面形成的温度效应, 同时还通过有限元模拟分析了此过程中的摩擦产热问题。Kelly等得出在超声波固结过程中由于声软化和少量的热软化作用, 可显著增加铝材的塑性变形。Fujii 等利用背散射技术研究了超声波固结试样的界面微观结构,发现在界面及近界面区金属箔材的微观结构发生了显著变化。

        至今为止, 关于超声波金属快速固结成形机理主流解释有3 种: 淤表面氧化物去除机制; 于界面塑性变形机制; 盂界面金属原子扩散机制。关于这3 种机制, 目前仍然存在诸多争议, 而相关机理解释中塑性变形机制下的界面再结晶占主要优势。可见虽然目前国外已经掌握超高功率超声波固结成形技术, 并且在工程上应用了这种新型的金属快速增材成形与制造技术, 但对超声波能场下金属原子的低温扩散、界面固结成形的机理目前仍众说纷纭, 至今尚未得出普遍接受的结论, 仍然需要开展深入的研究。

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