石 磊，肖亦辰，武傳松，宿 浩，劉小超，高 嵩

（1. 山東大學(xué)，濟(jì)南 250061；2. 東南大學(xué)，南京 211189；3. 齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），濟(jì)南 250353）

鋁合金是輕質(zhì)合金材料的典型代表，是產(chǎn)量最大的有色金屬材料，是制造運(yùn)載工具的關(guān)鍵輕量化材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域[1–2]。在鋁合金的實(shí)際工程應(yīng)用中，通常需要進(jìn)行焊接。然而，采用熔化焊方法進(jìn)行鋁合金焊接時(shí)，非常容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋和合金元素?zé)龘p等問(wèn)題[3–5]。攪拌摩擦焊 （Friction stir welding，F(xiàn)SW）作為一種固相連接方法，主要是通過(guò)攪拌頭與工件之間的摩擦生熱，使攪拌頭附近的材料熱塑軟化，并在攪拌頭的攪拌作用下使焊縫兩側(cè)的材料發(fā)生流動(dòng)與混合，隨著攪拌頭的行進(jìn)在其后方形成焊縫[3，6]。FSW 能夠避免鋁合金熔化焊接時(shí)因材料的熔化與凝固而產(chǎn)生的焊接缺陷，已成為鋁合金的優(yōu)選焊接工藝方法[5，7–12]。

隨著各種新型高性能鋁合金的不斷涌現(xiàn)，常規(guī)FSW 在新型高性能鋁合金焊接方面仍存在一些不足，例如： （1）高性能鋁合金FSW 接頭性能仍有待進(jìn)一步提升； （2）常規(guī)FSW 焊接過(guò)程的載荷較大，工藝柔性差，裝夾要求高； （3）在鋁與其他材料的異種FSW 焊接時(shí)，接頭金屬間化合物層仍較厚，限制了接頭性能的提升。因此，尋求更為優(yōu)異、高效、可靠、低成本的FSW 改型新工藝一直是FSW 焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種FSW 的改型技術(shù)[4，11，13–14]。這其中，超聲能量作為一種機(jī)械能，具有改善材料塑性變形的能力，將超聲能場(chǎng)應(yīng)用于FSW 改型就自然而然進(jìn)入了研究者的視野，近年來(lái)也得到了快速發(fā)展和廣泛關(guān)注[15–19]。

超聲輔助攪拌摩擦焊接（Ultrasonic assisted friction stir welding，UaFSW）技術(shù)作為一種FSW 改型新技術(shù)，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者證明能夠改善焊縫成形、提高接頭性能、降低焊接載荷、提升焊接效率和焊接質(zhì)量，是一種非常具有應(yīng)用前景的FSW 改型新技術(shù)[20–23]。根據(jù)近年來(lái)鋁合金超聲輔助攪拌摩擦焊接領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，本文全面綜述了鋁合金UaFSW 的不同實(shí)施方式和工藝研究的最新進(jìn)展，概述了國(guó)內(nèi)外在UaFSW 焊接理論研究的進(jìn)展和成果，并對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，提出下一步應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 UaFSW 技術(shù)

超聲作為一種機(jī)械能，能夠降低材料塑性變形抗力（圖1[24]），即超聲具有聲致塑性效應(yīng)[24–27]。FSW 焊接時(shí)，焊核區(qū)材料經(jīng)歷著劇烈的塑性變形。因此，在FSW 過(guò)程中施加超聲能量，利用超聲的聲致塑性效應(yīng)，改善焊接過(guò)程，提升接頭性能，得到了國(guó)內(nèi)外焊接科技工作者的關(guān)注。在FSW 焊接時(shí)，超聲能量的施加方式多種多樣，根據(jù)超聲的施加方式和作用效果的不同，發(fā)展出一系列不同的超聲輔助攪拌摩擦焊接工藝。

圖1 超聲對(duì)鋁合金拉伸應(yīng)力–應(yīng)變曲線的影響[24]Fig.1 Effect of ultrasonic vibration on stress–strain curves of aluminum alloy[24]

1.1 超聲施加于攪拌頭

為了將超聲應(yīng)用于FSW，Park等[16，28]通過(guò)在超聲工具頭端部設(shè)置軸承，將40kHz 的超聲振動(dòng)橫向施加于攪拌頭側(cè)面，研制了圖2所示[16]的超聲輔助攪拌摩擦焊接裝置。應(yīng)用上述裝置開展了6061–T651 鋁合金和1018 碳鋼的UaFSW 工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將超聲橫向施加于攪拌頭，可以有效降低焊接載荷，減少焊接缺陷，同時(shí)提高接頭的力學(xué)性能。隨后，Rostamiyan[29]、Ahmadnia[30]和Kumar[31–32]等也采用類似裝置，通過(guò)耦合軸承將超聲施加于攪拌頭，使其能夠橫向振動(dòng)，研究了施加超聲對(duì)不同鋁合金FSW 焊接過(guò)程的影響，均取得了改善焊縫成形、提高接頭性能和降低焊接載荷的有益效果。

圖2 橫向施加超聲振動(dòng)的UaFSW 工藝示意圖及裝置圖[16]Fig.2 Schematic of UaFSW process and experimental setup with lateral ultrasonic vibration[16]

應(yīng)用耦合軸承將超聲施加于攪拌頭，易于實(shí)施，但超聲能量在耦合傳輸?shù)倪^(guò)程中損失較大。為了更好地利用超聲能量，葉紹勇[17]、Zhang[18]、何長(zhǎng)樹[19]、Rezaei[33]和Alinaghian[34]等通過(guò)改進(jìn)攪拌頭，將超聲換能器和攪拌頭進(jìn)行一體化復(fù)合設(shè)計(jì)，使超聲振動(dòng)能量能夠沿軸線施加于攪拌頭，研制了軸向施加超聲能量的UaFSW裝置，如圖3所示[18]。

圖3 軸向施加超聲能量的UaFSW 示意圖及裝置[18]Fig.3 Schematic diagram of UaFSW system and experimental setup with axial ultrasonic vibration[18]

1.2 超聲施加于工件

在FSW 焊接過(guò)程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)且承受較大載荷。因此，將超聲能量施加于攪拌頭仍存在一些不足，如耦合傳輸損耗高、設(shè)備通用性不強(qiáng)等。為此，國(guó)內(nèi)外研究者也探索了各種將超聲能量直接施加于待焊工件的方式。

武傳松等[2，20，35]應(yīng)用特殊設(shè)計(jì)的超聲工具頭，將超聲振動(dòng)能量以40°的傾角直接施加于攪拌頭前方的待焊工件上，如圖4所示[24，36]，研制了超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接 （Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding，UVeFSW）裝置，其所采用的超聲振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為40μm，超聲功率為300W。

圖4 UVeFSW 工藝示意圖及裝置[24，36]Fig.4 Schematic diagram of UVeFSW system and experimental setup[24，36]

在異種材料焊接時(shí)，為了更好地利用超聲能量改善不同材料的塑性流變行為，Thom? 等[37–38]研制了超聲強(qiáng)化攪拌摩擦焊接 （Ultrasonic enhanced friction stir welding，USEFSW）裝置，其所采用的超聲振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為18μm，作用于超聲工具頭上的載荷為2.5kN，該裝置采用滾輪式超聲工具頭從工件一側(cè)施加超聲能量，使得超聲波沿著被焊工件一側(cè)傳播至焊縫，進(jìn)而發(fā)揮作用。為了降低超聲能量傳輸過(guò)程中的損耗，更好地利用超聲能量消除焊縫根部的未焊合缺陷，Liu 等[22]提出一種在待焊工件底部施加超聲能量的超聲輔助攪拌摩擦焊接（UVBS–FSW）裝置，如圖5（a）所示[27]。Ma[39]和毛鎮(zhèn)東[23]等也通過(guò)特制的能夠振動(dòng)的下墊板將超聲能量從背板施加于工件，研制了從背板施加超聲能量的UaFSW 裝置（圖5（b）[23]），并應(yīng)用于鋁合金與鈦合金或鎂合金的異種焊接，得到了有益的工藝效果。

圖5 從工件底部和背板施加超聲的UaFSW 工藝示意圖Fig.5 Schematic diagraming of UaFSW by superimposing ultrasonic energy from bottom surface of workpiece and backing plate

總體來(lái)看，目前研究者提出了多種形式的超聲能量施加方法，都取得了較好的工藝效果。將超聲施加于攪拌頭，超聲的作用與攪拌摩擦焊接過(guò)程能夠同步耦合，同時(shí)將超聲與攪拌頭集成，可以更好地提升裝備的集成度，但由于FSW 焊接載荷較大，超聲與攪拌頭之間直接耦合引起的聲能耗損較為嚴(yán)重。而將超聲施加于工件，其適應(yīng)性更好，能夠根據(jù)被焊材料及構(gòu)件的特征，通過(guò)調(diào)整超聲施加于工件的位置，達(dá)到更好的超聲作用效果。

2 UaFSW 工藝研究

為了探究施加超聲對(duì)鋁合金FSW 焊接過(guò)程、焊縫成形、微觀組織演變和接頭性能的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用上述研制的不同形式的UaFSW 裝置開展了系統(tǒng)的鋁合金焊接工藝試驗(yàn)研究，取得了一系列成果。

2.1 施加超聲對(duì)焊接過(guò)程參量的影響

FSW 過(guò)程中的載荷對(duì)于焊接過(guò)程穩(wěn)定性及焊縫成形具有重要影響。為了研究施加超聲對(duì)FSW 焊接載荷的影響規(guī)律，Park[16]對(duì)比分析了鋁合金和鋼兩種材料進(jìn)行UaFSW 與FSW 焊接過(guò)程中的軸向壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)能夠大幅降低攪拌頭的軸向壓力，其峰值軸向力下降了6%，而焊接載荷降低了12.5%；且在應(yīng)用相同的超聲參數(shù)條件下，材料的強(qiáng)度越高，其軸向下壓力的下降越明顯。劉小超[40]通過(guò)測(cè)量FSW焊機(jī)的電參量來(lái)間接測(cè)量焊接過(guò)程中的載荷參量，對(duì)比了相同工藝參數(shù)條件下UVeFSW（施加超聲）與常規(guī)FSW（不加超聲）焊接過(guò)程中載荷參量的變化（圖6[40]），研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲振動(dòng)后，主軸扭矩和軸向壓力均顯著降低。Zhong 等[36，41]應(yīng)用相同的焊接載荷測(cè)量方法，對(duì)比分析了兩種超聲施加方式 （一種從攪拌頭前方待焊工件施加，另一種從工件一側(cè)施加）對(duì)焊接載荷的影響，結(jié)果表明，從工件一側(cè)施加超聲，使得FSW 過(guò)程中主軸扭矩和攪拌頭的前進(jìn)阻力均略有增大，但對(duì)軸向壓力幾乎沒(méi)有影響；而從工件前方的待焊工件施加超聲，能夠減小攪拌頭的前進(jìn)阻力、旋轉(zhuǎn)扭矩和軸向壓力，證明了從攪拌頭前方的待焊工件直接施加超聲能量在降低焊接載荷方面更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 施加超聲對(duì)FSW 過(guò)程中主軸扭矩和軸向壓力的影響[40]Fig.6 Effect of superimposing ultrasonic on spindle torque and axial force in friction stir welding[40]

FSW 焊接熱循環(huán)及塑性材料流動(dòng)是決定焊縫成形、接頭微觀組織演變與力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[5，42]。為了研究施加超聲對(duì)焊接熱循環(huán)及塑性材料流動(dòng)行為的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多種工藝條件下焊接熱循環(huán)和塑性材料流動(dòng)方面的測(cè)試分析。Zhong 等[36]的熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，在攪拌頭前方待焊區(qū)域施加超聲，其具有一定的預(yù)熱作用，但超聲能量對(duì)熱循環(huán)的峰值溫度并無(wú)明顯影響，如圖7所示。胡琰瑩等[27，43]的測(cè)試結(jié)果也證明，從工件底部施加超聲能量，對(duì)工件相同位置熱循環(huán)的峰值溫度也無(wú)明顯影響。

圖7 不同位置處FSW、UVeFSW 以及純超聲振動(dòng)引起的熱循環(huán)變化[36]Fig.7 Thermal cycles of FSW, UVeFSW and ultrasonic treatment processes at different positions[36]

除了溫度之外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)焊接過(guò)程中塑性材料流動(dòng)行為進(jìn)行了測(cè)試分析。Liu 等[20，40]采用1060純鋁作為標(biāo)記材料，對(duì)常規(guī)FSW 與UVeFSW 焊接過(guò)程中塑性材料的流動(dòng)行為進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)施加超聲擴(kuò)大了攪拌針周圍的塑性材料變形區(qū)，提高了塑性材料的流動(dòng)速度、應(yīng)變和應(yīng)變速率，在所用的試驗(yàn)參數(shù)下，某些點(diǎn)的塑性材料流動(dòng)速度提高了近3 倍，而材料的變形速率和應(yīng)變提高了50%。Zhong 等[36，41]采用異種材料焊接的方法，分析了施加超聲對(duì)塑性材料流動(dòng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)能量后，攪拌頭對(duì)工件的攪拌作用增強(qiáng)，促進(jìn)了焊縫兩側(cè)材料的流動(dòng)與混合，增大了焊核區(qū)的寬度。

2.2 施加超聲對(duì)焊縫成形的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用不同形式的UaFSW 裝置開展了大量的焊接工藝試驗(yàn)研究，探究了施加超聲對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。Park 等[28]分析了對(duì)攪拌針施加橫向超聲振動(dòng)情況下，6061 鋁合金焊縫的成形情況，發(fā)現(xiàn)在相同工藝參數(shù)下，施加超聲降低了焊縫形成孔洞缺陷的傾向。Zhang[18]和何長(zhǎng)樹[19]等分析了在攪拌頭上施加軸向超聲振動(dòng)對(duì)7N01–T4 鋁合金焊縫成形的影響，研究結(jié)果表明，采用帶螺紋攪拌針時(shí)，施加超聲能夠擴(kuò)大焊核區(qū)尺寸（尤其是攪拌針影響區(qū)），使得焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的過(guò)渡邊界更光滑，提高了無(wú)缺陷焊縫的臨界焊接速度；然而，當(dāng)采用的光滑無(wú)螺紋的攪拌針進(jìn)行焊接時(shí)，施加軸向超聲振動(dòng)降低了攪拌針對(duì)攪拌區(qū)材料的剪切作用，導(dǎo)致攪拌區(qū)內(nèi)的塑性材料的流動(dòng)能力減弱，更容易形成孔洞缺陷[19]。

Liu[20]、Zhong[36]、劉小超[40]、鐘益斌[41]和Gao[44]等系統(tǒng)細(xì)致地研究了施加超聲對(duì)2 系及6 系鋁合金焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)施加超聲能夠擴(kuò)大焊核區(qū)的寬度，促進(jìn)材料的流動(dòng)與混合，改善了焊縫成形，抑制了高焊接速度條件下常規(guī)FSW 焊接過(guò)程中容易形成的孔洞缺陷（圖8[36]），提高了無(wú)缺陷焊縫的臨界焊接速度，擴(kuò)大了焊接工藝窗口。其他團(tuán)隊(duì)的大量試驗(yàn)研究也都表明，在FSW 過(guò)程中施加超聲能量，能夠降低材料的塑性變形抗力，從而改善焊縫成形，使得焊縫表面更光滑，并降低焊縫孔洞、隧道型體積缺陷的形成趨勢(shì)[21–22，37]。此外，鋁合金與其他材料的異種焊接也證明了在異種材料FSW 焊接時(shí)，施加超聲也可以改善焊縫成形，減少甚至抑制焊縫的孔洞缺陷[23，38–39]。

圖8 FSW 過(guò)程中施加超聲對(duì)焊縫成形的影響[36]Fig.8 Effects of superimposing ultrasonic on joint formation in FSW[36]

2.3 施加超聲對(duì)接頭組織及力學(xué)性能的影響

針對(duì)施加超聲后接頭的微觀組織演變與力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了系統(tǒng)的微觀組織分析與力學(xué)性能測(cè)試。Kumar[31]系統(tǒng)分析了施加超聲對(duì)6063 鋁合金攪拌摩擦處理（FSP）后的接頭微觀組織及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)施加超聲使得焊核區(qū)材料經(jīng)歷了更劇烈的塑性變形，促進(jìn)了塑性材料流動(dòng)，抑制了焊接缺陷，從而獲得更高的力學(xué)性能。Rezaei[33]和Alinaghian[34]等針對(duì)6061–T6 的橫向超聲輔助攪拌摩擦焊接研究也證實(shí)了超聲能夠促進(jìn)焊核區(qū)材料的流動(dòng)與攪拌作用，從而改善微觀組織并抑制焊接缺陷，獲得更好的接頭性能。

本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2024 和6061 鋁合金UVeFSW 焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試分析，通過(guò)對(duì)比分析常規(guī)FSW 與UVeFSW工藝條件下晶粒取向、平均晶粒尺寸、再結(jié)晶程度和織構(gòu)情況，發(fā)現(xiàn)施加超聲使得焊核區(qū)的再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行得更加徹底，促進(jìn)晶粒細(xì)化并且改變了晶粒取向，使得接頭性能得到提高，如圖9所示[20，44–47]。Gao 等[45]應(yīng)用應(yīng)變分量變化法表征了焊核區(qū)微觀組織的演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)施加超聲能量增大了焊核區(qū)相對(duì)位置的應(yīng)變值，使得晶粒細(xì)化對(duì)應(yīng)變的依賴增強(qiáng)。

圖9 施加超聲對(duì)2024–T3 鋁合金板FSW 接頭拉伸性能的影響[44]Fig.9 Effects of superimposing ultrasonic on joint property in FSW of AA2024–T3[44]

胡琰瑩等[27，43，48–51]對(duì)2219–T6鋁合金常規(guī)FSW 與UaFSW 焊縫的情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)從工件底部施加超聲可以促進(jìn)金屬材料的塑性變形，從而抑制低熱輸入條件下接頭的S 線和根部未焊合缺陷；同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)施加超聲能夠通過(guò)空位誘導(dǎo)焊核區(qū)析出相的形成，從而促進(jìn)析出強(qiáng)化 （圖10[49]），提升接頭力學(xué)性能。Tarasov 等[21]對(duì)鋁鋰合金的UaFSW 研究也得出了類似結(jié)論，發(fā)現(xiàn)施加超聲能夠促進(jìn)應(yīng)變誘導(dǎo)固溶相溶解和亞穩(wěn)相的析出，從而提升接頭性能。

圖10 施加超聲對(duì)2219–T6 鋁合金焊核區(qū)析出相的影響[49]Fig.10 Effect of superimposing ultrasonic on precipitates in the SZ of AA2219–T6 welds[49]

葉紹勇[17]和Alinaghian[52]等分析了施加超聲對(duì)焊縫殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)施加超聲后焊縫的縱向殘余應(yīng)力大幅降低，從而使得接頭性能得以提升。對(duì)施加超聲后的FSW 焊縫的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，施加超聲改善了焊縫的組織、降低了接頭的縱向殘余應(yīng)力，使得接頭的疲勞性能也得以提高[53–55]。表1總結(jié)了目前不同鋁合金UaFSW 接頭的最高抗拉強(qiáng)度。綜上可知，大量的工藝試驗(yàn)研究證明，施加超聲能夠改善鋁合金FSW 焊縫成形，細(xì)化焊核區(qū)晶粒，促進(jìn)析出相的形成，從而提高接頭性能。

表1 不同鋁合金UaFSW 接頭最優(yōu)性能Table 1 Summary of optimized joint property of aluminum alloy joint by UaFSW

3 超聲的作用機(jī)理研究

FSW 焊接數(shù)值模擬是分析塑性材料流動(dòng)和焊接熱過(guò)程的有效方法，是理解焊接工藝機(jī)理，實(shí)現(xiàn)焊接新工藝優(yōu)化與控制的重要手段[24，56–58]。為了更好地利用超聲能量來(lái)改善FSW 焊接過(guò)程，實(shí)現(xiàn)UaFSW 新工藝的優(yōu)化控制，研究者開展了大量的超聲作用機(jī)理研究，也取得了豐富的研究成果[24，55，59–60]。在金屬材料的塑性加工過(guò)程中施加超聲能量，超聲主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)、聲塑性效應(yīng)和減摩效應(yīng)。

3.1 熱效應(yīng)

早期研究普遍認(rèn)為，超聲作為一種額外輔加能量，能夠起到提高焊接溫度的預(yù)熱效果，從而達(dá)到促進(jìn)材料軟化的目的[55，59]。為此，研究者在進(jìn)行UaFSW 過(guò)程的數(shù)值模擬時(shí)，主要是考慮超聲的熱效應(yīng)，如任朝暉[55]和Lai[59]等在僅考慮超聲振動(dòng)的機(jī)械效應(yīng)條件下，將超聲振動(dòng)引起的攪拌針軸向運(yùn)動(dòng)作為慣性力，使得軸向下壓力增大，焊接產(chǎn)熱增加，焊縫的峰值溫度升高。然而，大量的測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)果表明，在FSW 過(guò)程中施加超聲振動(dòng)對(duì)焊接熱循環(huán)的峰值溫度影響并不明顯[27，36，40–41]。因此，在UaFSW 過(guò)程中，超聲并不只是單純的熱效應(yīng)起作用。

3.2 聲致塑性效應(yīng)

FSW 過(guò)程中產(chǎn)熱、傳熱與塑性材料流動(dòng)之間相互耦合[9，42]，在進(jìn)行UaFSW 焊接過(guò)程的數(shù)值模擬時(shí)，僅考慮超聲的熱效應(yīng)，所預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有明顯差異。為了更好地理解超聲的作用機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了系統(tǒng)的UaFSW 過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合模擬，以期更好地理解超聲的作用機(jī)理[61–63]。Shi 等[25]建立了UVeFSW 過(guò)程的“聲–熱–流”多物理場(chǎng)耦合模型，在模型中綜合考慮了超聲能量的聲塑性軟化效應(yīng)與熱效應(yīng)，通過(guò)對(duì)比分析常規(guī)FSW 與UVeFSW 焊接熱過(guò)程和塑性材料流動(dòng)之間的差異，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)能量降低了鋁合金塑性變形的激活能，使得其屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力降低；超聲的聲致塑性效應(yīng)軟化了鋁合金，使得其塑性變形產(chǎn)熱率降低（圖11[24]），抵消了超聲的熱效應(yīng)，使得焊接熱循環(huán)的峰值溫度無(wú)明顯變化[61]。另一方面，超聲的聲塑性軟化效應(yīng)降低了材料的變形抗力，從而提高了攪拌頭附近塑性材料流動(dòng)性[26，61]，使得攪拌區(qū)擴(kuò)大（圖12[24]），材料流動(dòng)速度增加，其應(yīng)變和應(yīng)變速率增大，焊接載荷降低[62]，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好。隨后，Zhao 等[63]在上述多物理場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，考慮聲應(yīng)力做功作用，分析了超聲降低材料流動(dòng)應(yīng)力、促進(jìn)塑性材料流動(dòng)的作用機(jī)理，結(jié)果表明，聲應(yīng)力功補(bǔ)償了材料塑性變形的熱激活能，從而降低其流變應(yīng)力，提升剪切層內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)變速率。

圖11 工件與攪拌頭接觸界面產(chǎn)熱的計(jì)算結(jié)果[24]Fig.11 Calculated heat generation rate at tool-workpiece contact interface[24]

圖12 施加超聲對(duì)Z=3mm 水平面上塑性材料流場(chǎng)的影響[24]Fig.12 Effect of superimposing ultrasonic on plastic material flow at Z=3mm horizontal plane[24]

除了超聲的聲塑性軟化效應(yīng)外，Yang 等[64–65]也分析了超聲的聲殘余硬化效應(yīng)對(duì)FSW 過(guò)程塑性材料流動(dòng)和熱過(guò)程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超聲的軟化效應(yīng)和殘余硬化效應(yīng)分別在高應(yīng)變速率和低應(yīng)變速率條件下占主導(dǎo)地位，在軸肩影響區(qū)和攪拌針側(cè)面附近的內(nèi)環(huán)區(qū)域，聲殘余硬化作用提高了材料的流動(dòng)應(yīng)力，而在攪拌針側(cè)面外環(huán)區(qū)域，超聲的殘余硬化作用不明顯，甚至有降低材料流變應(yīng)力的作用，從最終的仿真結(jié)果來(lái)看，進(jìn)一步考慮超聲殘余硬化作用的模型所預(yù)測(cè)的焊核區(qū)尺寸更準(zhǔn)確。

3.3 減摩效應(yīng)

在金屬的超聲輔助塑性加工過(guò)程中，超聲振動(dòng)能夠降低工具與工件之間的摩擦，稱之為超聲的減摩作用[65–68]。FSW 過(guò)程中，攪拌頭與工件之間的接觸與摩擦行為影響著焊接產(chǎn)熱、傳熱和塑性材料流動(dòng)，進(jìn)而決定焊縫成形和接頭性能[69–70]。為了研究超聲的減摩效應(yīng)對(duì)FSW 過(guò)程的影響，楊春靚等[65，71]綜合分析了超聲振動(dòng)方向?qū)嚢桀^與工件接觸界面摩擦系數(shù)的影響，推導(dǎo)了不同方向的超聲減摩系數(shù)，建立了考慮超聲減摩效應(yīng)的UVeFSW 多物理場(chǎng)耦合模型，研究發(fā)現(xiàn)，考慮超聲減摩效應(yīng)（Ultrasonic induced friction reduction，UiFR）后，摩擦系數(shù)在攪拌頭與工件接觸面的分布由中心圓環(huán)軸對(duì)稱狀變?yōu)楹麪睿▓D13[71]）。Zhao 等[72–73]研究了施加橫向超聲振動(dòng)條件下，超聲減摩效應(yīng)對(duì)FSW 焊接過(guò)程的影響，研究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)的方向和強(qiáng)度共同決定超聲減摩效應(yīng)，其中超聲振動(dòng)的方向決定攪拌頭與工件接觸界面摩擦力分布的形貌特征和減摩范圍，而聲場(chǎng)的強(qiáng)弱決定了超聲減摩效果的強(qiáng)弱。

圖13 攪拌頭與工件接觸界面的摩擦系數(shù)分布情況[71]Fig.13 Distribution of friction coefficient on tool-workpiece contact interfaces[71]

4 結(jié)論

（1）超聲輔助攪拌摩擦焊接技術(shù)是將常規(guī)攪拌摩擦焊接與超聲外場(chǎng)相復(fù)合，是對(duì)常規(guī)攪拌摩擦焊接工藝方法的改型與優(yōu)化。大量工藝研究表明，在FSW 過(guò)程中，采用合適的方式施加超聲能量，能夠起到降低焊接載荷、改善焊縫成形、抑制焊接缺陷、提升焊接效率、提高焊接質(zhì)量和接頭力學(xué)性能的有益效果，因此超聲輔助攪拌摩擦焊接技術(shù)在工業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景。

（2）超聲輔助攪拌摩擦焊接過(guò)程中，超聲表現(xiàn)出熱效應(yīng)、聲致塑性效應(yīng)及減摩效應(yīng)。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中施加超聲，超聲的不同效應(yīng)對(duì)焊接產(chǎn)熱、傳熱與塑性材料流動(dòng)均有重要影響。超聲輔助攪拌摩擦焊接過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬表明，在FSW 過(guò)程中施加超聲能夠降低材料流變應(yīng)力和FSW 焊接自身產(chǎn)熱，提高塑性材料流動(dòng)性，擴(kuò)大攪拌區(qū)范圍并提高塑性材料的流動(dòng)速度和應(yīng)變速率。

（3）目前對(duì)超聲輔助攪拌摩擦焊接過(guò)程中，超聲特征參量的測(cè)試與表征仍缺乏有效的手段，超聲能量在工件或者攪拌頭內(nèi)部的傳播與耦合機(jī)制仍不清楚，超聲能量的聲致塑性機(jī)理還沒(méi)有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)，也缺乏定量的計(jì)算和測(cè)試手段，這些都是未來(lái)應(yīng)該重點(diǎn)研究的方向。

（4）異種材料的超聲輔助攪拌摩擦焊接工藝研究已經(jīng)證實(shí)，在異種材料FSW 過(guò)程中施加超聲能量，能夠起到調(diào)控金屬間化合物層的厚度、形態(tài)、成分及分布的作用，進(jìn)而提升焊接質(zhì)量和接頭性能，但超聲能量對(duì)焊縫微觀組織演變的相關(guān)研究才剛剛起步，目前仍未闡明超聲調(diào)控焊接冶金過(guò)程和微觀組織演變的物理機(jī)制。

（5）鋼的超聲輔助攪拌摩擦焊接工藝研究已經(jīng)證實(shí)，在更高強(qiáng)度材料的超聲輔助FSW 過(guò)程中，超聲的作用效果更明顯，但由于高溫金屬（如鋼、鈦和銅等）的攪拌摩擦焊接仍面臨著攪拌頭使用壽命的限制，使得目前關(guān)于高溫金屬的超聲輔助FSW研究才剛剛起步，后續(xù)需加強(qiáng)相關(guān)研究，以促進(jìn)超聲輔助FSW 新工藝的應(yīng)用。

（6）超聲輔助攪拌摩擦焊接技術(shù)采用的是單一超聲外場(chǎng)，隨著新材料和新裝備對(duì)焊接成形技術(shù)的發(fā)展要求，將多個(gè)外場(chǎng)相耦合，應(yīng)用多能場(chǎng)調(diào)控焊接“熱–力–冶金”過(guò)程也是今后的研究方向。如利用超聲場(chǎng)與電磁場(chǎng)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)多能場(chǎng)復(fù)合攪拌摩擦焊接成形。