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超声波金属快速增材制造成形机理研究进展(七)

5 超声波金属固结成形的计算机模拟

        为更好理解超声波增材制造过程中工艺参数对界面微区材料的应变、温度及位移效应的影响, 人们对超声波金属固结成形过程进行了有限元模拟探究。Huang等假设Al3003-H18 箔材和基板为各向同性, 以超声波固结工艺的3D 热机械有限元模型为基础建立了准静态摩擦(最大循环周期为50)模型, 此模型利用了与屈服强度有依赖性关系的温度及应变率参数, 和与摩擦系数有依赖性的应变率参数。模拟结果显示由于不可恢复滑移存在, 材料的应力峰值落后于位移峰值0郾1 个周期。另外, Huang 还发现材料最大变形区(250% 塑性应变)位于与压头接触的箔材上表面。但也发现一异常现象, 焊接箔材下表面只有5% 的塑性变形, 而基板的上表面应变最小, 仅为0.3%。最终得出的模拟结果显示沿结合界面温升只有30 益。Zhang 等也假设Al3003-H18 箔材和基板为各向同性, 以超声波增材制造制备试样界面的3D 有限元模型为基础, 探索了此过程中材料相互摩擦的问题。此模型中运用了双线性各向同性加工硬化与温度依赖性关系、杨氏模量、屈服强度和摩擦系数的关系。

        模拟结果显示1500 个焊接周期过后, 界面温升只有50 益, 与Huang 等人得出的结果不同, Zhang 模拟结果显示材料最大塑性应变区位于界面。此外, Zhang 还利用此模型准确预测了超声波增材制造前后试样厚度的变化规律。而Siddiq 等进一步考虑了固结Al3003-H18和Al6061-T0 过程中的声软化效应和摩擦效应, 建立了超声波增材制造过程的热机械有限元模型, 发现固结过程中的塑性变形是表面(摩擦)和体积(塑性)软化效应共同作用的结果。Siddiq利用以循环塑性理论为基础的材料模型预测了体积效应, 利用与温度有依赖性关系的动力学方程计算了表面效应。模拟固结Al6061-T0 结果指出随振幅和施加静压力增大, Al6061-T0 与基板界面的摩擦功降低, 塑性功增大。Siddiq指出由于Al6061-T0 屈服应力低, 而且在焊接时箔材与压头界面摩擦能量转化为箔材的热软化(表面软化效应)和体积软化效应(塑性)的耗散增加, 因此箔材存在软化效应。而且随施加静压力和振幅的增加, 上述两种软化效应加强。

        在这两种效应作用下, 由于箔材的软化效应存在, 超声振动转化为箔材与基板界面的摩擦效应降低。所以, 由于固结过程产生了大量塑性变形, 模拟结果显示界面温度为280 益。当同样的有限元模型用于Al3003-H18 时,发现随施加静压力和振幅增加, 箔材与基板摩擦功增大,与Al6061 模拟结果相反, 而模拟结果差异是由于Al6061屈服强度高于Al3003-H18 不易形成体积效应, 这样使超声振动转化为摩擦功的比例增加, 使声软化效应降低。而模拟结果显示摩擦功比例增加使温度升高48 益, 与Chen 和Li试验结果一致。此外, Siddiq 等也建立了用于模拟利用超声波固结技术制备纤维增强复合材料
过程中纤维周围基体金属塑性流动模型。模拟结果显示在未预制放置纤维凹槽的Al3003-H18 基体中埋入一根或两根纤维, 可导致纤维周围箔材的过度体积软化和塑性变形, 纤维周围塑性变形是未埋入纤维超声波固结试样箔材塑性变形的50 倍。此过程中从纤维与基体接触面积最小至纤维完全被包裹在基体中, 纤维与基体的摩擦效应较低, 从而得出Al 基体的过度塑性应变是由声(体积)软化引起。

        由于超声波增材制造为新型金属固态连接工艺, 近年来虽然其发展非常迅速, 但起步较晚, 相关计算机模拟分析仍存在较多争论, 且没有完善的理论支持, 仍需进一步深入研究。

6 结 语
        超声波固结成形技术作为一种新型快速成形连接工可直接快速成形三维构件, 具有传统工艺所不具备的优点。但是目前国际上只有美国、英国少数几个国家掌握这种先进的增材制造技术, 本文所引用的工作也主要是这些国家的研究人员所进行的。由于国外在超声波增材制造装备和相关的先进技术方面对我国实行严格的封锁,国内目前开展超声波固结成形机理的研究工作是采用低功率的超声波点焊机。近期, 本文作者所在团队通过协同创新, 研发出了超声波固结成形实验装备, 可用于钛、铝、铜、不锈钢等金属叠层复合材料、纤维增强金属层状复合材料固结成形机理研究。

        超声波固结成形与制造技术作为一种新型的非高能束加热增材制造技术具有很多优点, 已在金属叠层复合材料、智能复合材料与结构、电子封装结构以及复杂型腔零部件的制造中获得了应用, 但是对于金属界面成形机理还没有获得普遍认可的理论, 需要在以下几个方面深入研究:

(1)超声波作用机理方面: 超声波固结过程中的绝热效应和热软化效应导致的温升多数处于模拟阶段, 目前没有相应的理论支持和统一的计算方法。
(2)微结构表征方面: 由于高分辨电镜分析技术制样要求较高, 不能很好保存界面, 很难进一步研究界面形貌和位错等微观结构, 是超声波固结试样微结构表征的重点和难点之一。
(3)界面成形机理的研究需要对成形局部物理场参数(界面温度分布和应力场的测试技术等) 进行准确测试。
( 4)采用有限元模拟的作用方面: 目前, 超声波增材制造的有限模拟分析主要集中在界面塑性变形及摩擦温升方面, 而且相关解释也是众说纷坛, 尚无统一理论及模拟模型支持。
(5)采用分子动力学模拟界面局部原子扩散方面:利用分子动力学模拟超声波固结成形制备材料界面局部原子扩散方面的相关研究非常少, 需进一步研究超声波固结作用机理, 建立可实现的分子动力学模拟模型, 完善超声波固结成形界面形成理论。

        通过深入研究, 探明超声波固结金属界面成形物理冶金机制, 建立在超声波能场作用下金属原子低温扩散理论, 这对于提高超声波固结成形能力和进一步拓宽其应用范围具有重要的意义。 

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