柔性超声增强搅拌摩擦焊与常规搅拌摩擦焊在AA6082-T6铝合金中的对比研究

《Welding in the World》：A comparative study of flexible ultrasonic-enhanced FSW (FLEX-USE-FSW) and conventional FSW in AA6082-T6

本研究针对常规搅拌摩擦焊（CFSW）在高焊接速度下易出现缺陷、工艺窗口窄等问题，开发了柔性超声增强搅拌摩擦焊（FLEX-USE-FSW）技术，通过工具头集成超声振动系统，实现了轴向高频振动辅助焊接。结果表明，超声辅助使轴向力和前进方向力降低15–20%，焊接速度提升50%仍能获得无缺陷焊缝，同时搅拌区（SZ）晶粒结构更均匀、低角度晶界比例增加，显著改善了接头力学性能和工艺稳定性。该技术为航空航天、新能源汽车等领域的轻量化铝合金高效焊接提供了新方案。

　　

在轻量化制造趋势下，铝合金结构件在航空航天、新能源汽车等领域的需求日益增长，而搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作为一种固相连接技术，因其无熔化、低变形和优异接头性能备受青睐。然而，常规FSW在高速焊接时易出现隧道缺陷、工艺窗口窄、工具磨损严重等问题，限制了其在大批量生产中的应用。为此，德国开姆尼茨工业大学与弗劳恩霍夫机床和成形技术研究所合作，开发了一种柔性超声增强搅拌摩擦焊（FLEX-USE-FSW）技术，通过将超声振动直接集成到工具夹持系统中，实现了轴向高频振动辅助焊接，并对AA6082-T6铝合金进行了系统对比研究。相关成果发表于《Welding in the World》。

研究团队采用数控加工中心搭载FLEX-USE-FSW系统，通过压电换能器产生频率约17 kHz、振幅最高9 μm的轴向振动，利用三因素多水平实验设计（DoE）和中心复合设计（CCF）优化工艺参数。力学性能通过拉伸试验和显微硬度测试评估；微观结构采用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析；过程力通过集成载荷传感器实时监测；超声传播特性通过三维激光测振仪（PSV-3D）量化。

力学性能

超声辅助焊接在宽参数范围内表现出更均匀的拉伸强度和延伸率分布，尤其在高速焊接（如1800 mm/min）时，CFSW出现强度下降和隧道缺陷，而FLEX-USE-FSW仍保持无缺陷接头。轴向力（F_z）和前进方向力（F_x）平均降低15–20%，侧向力（F_y）略有上升，但整体工艺稳定性显著提升。

微观结构特征

FLEX-USE-FSW的搅拌区（SZ）宽度增加30%以上，流动线更连续密集，热影响区（HAZ）更宽，表明超声振动促进了材料塑性流动和热分布均匀化。EBSD分析显示，CFSW搅拌区以完全再结晶的等轴晶和高角度晶界为主，而FLEX-USE-FSW中低角度晶界比例显著增加，晶粒沿工具旋转方向定向排列，表明超声振动延缓了动态再结晶进程，改变了晶界演化路径。

超声传播机制

激光测振表明，当试样轧制方向与焊接线平行时，超声能量传输效率更高，17 kHz主频信号更清晰，谐波成分更丰富；垂直方向则因晶界散射导致信号衰减。时间-频率分析进一步证实，超声振动在平行轧制方向下稳定性更高，有助于声软化效应（acoustic softening）的充分发挥。

结论与意义

FLEX-USE-FSW通过轴向超声振动有效降低了流变应力，拓宽了工艺窗口，尤其适用于高速、低热输入焊接场景。其不仅提升了接头力学性能和微观结构均匀性，还通过柔性集成设计实现了现有CNC设备的便捷改造。该技术为铝合金高效高质量焊接提供了新思路，对航空航天、新能源汽车等行业的轻量化制造具有重要推广价值。