在Al/Ti异种接头中，利用超声辅助拖曳式摩擦搅拌焊接技术，纳米级界面结构诱导的界面增强机制

《Materials Science and Engineering: A》：Interface enhancement mechanism induced by nanoscale interface structures in Al/Ti dissimilar joints using ultrasonic assisted trailing support friction stir welding

　　

左盈盈|高一松|刘慧洁|黄永贤

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨150000

摘要

在尾随支撑摩擦搅拌焊接（TSFSW）中，实现高质量铝（Al）与钛（Ti）之间的结合界面是一个挑战。本研究对采用超声波辅助的TSFSW（UA-TSFSW）和传统TSFSW得到的Al/Ti接头进行了分析和比较。超声波通过声学抗摩擦效应和声学软化效应调节了峰值温度，而焊接轴向载荷则受到热效应和声学软化效应的影响。在中等速度（500 mm/min）和较低速度（700 mm/min）下，超声波提高了峰值温度并降低了轴向载荷；但在较高速度（300 mm/min）下则观察到相反的结果。该结合界面主要由金属间化合物（IMC）层、混合层以及机械互锁结构组成。超声波改变了原始氧化膜的分解和分布，从而影响了界面IMC的结构。在材料流动不良的区域，超声波振动促进了氧化膜的更完全分解。在300 mm/min的条件下，纳米级的TiAl₃层取代了含氧的非晶层；而在500 mm/min的条件下，纳米级的TiAl₃层增强了结合界面的强度。与TSFSW相比，UA-TSFW接头的高强度和界面强度分别提高了237 MPa和274 MPa，达到基材强度的77.8%和89.8%。因此，UA-TSFW为提高Al/Ti界面强度提供了一种有效的方法。

引言

由于周期性高频机械振动，超声波可以产生以下基本声学效应：热效应、机械效应和空化效应[1],[2]。基于这些特性，人们提出了超声波焊接[3]、超声波钎焊[4]和超声波辅助焊接技术[5]。超声波焊接利用高频振动在接触界面产生摩擦热，从而在压力下实现界面结合[6]；超声波钎焊主要利用空化效应[7]。瞬态空化可以破坏材料表面的氧化膜，并提高液态焊料的润湿性和流动性，从而改善接头性能。目前，在摩擦搅拌焊接（FSW）中应用超声波的主要原因是其热效应和机械效应。Park等人[8]首次提出了超声波辅助摩擦搅拌焊接（UAFSW），用于铝（Al）与钢的焊接，并将超声波作用于焊接工具上。Park等人[9]还指出，超声波的应用对接头形成和机械性能的提升有积极影响。

超声波的加入可以降低塑性流动应力，这种现象被称为声学软化效应[10]。Zhou等人[11]发现，超声波振动引起了Al和Ti样品的塑性变形和晶粒细化。Liu等人[12]指出，使用超声波时，被焊接工具驱动的塑化材料体积增加，材料流动得到改善，搅拌区（SZ）的宽度也扩大了。此外，由于材料流动得到加强，可以消除由材料流动不良引起的隧道和孔洞缺陷[13]。Hu等人[14]指出，由于焊根处的材料温度最低且流动性较差，最容易出现结合不良。因此，当超声波直接作用于焊缝底部时，焊根处的弱结合缺陷（S线）得以消除。Yu等人[15]报告称，使用超声波后，电弧模式更加平滑，高低峰之间的振幅差从22 μm减小到了20 μm。Zhao等人[16],[17]提出超声波具有抗摩擦效应，并发现超声波的应用使焊缝峰值温度下降。然而，Zhong等人[18]指出，无论是否有超声波辅助，焊缝峰值温度变化不大。Hu等人[14]也报告称，超声波对接头峰值温度的影响很小，并指出高频振动的主要作用在于其与焊接工具之间的机械耦合。

Zhao等人[19]和Shao等人[20]都提出了超声波在结合界面引起的超扩散效应。Zhao等人[19]发现，在超声波作用下，Zn-Al之间的相互扩散系数约为0.6 μm/s，这是纯热扩散系数的20倍。由于金属间化合物（IMCs）对原子扩散非常敏感，超声波是一种调节不同金属接头界面IMCs的有效方法。在常规焊接条件下，界面反应层的厚度通常在微米级别。Zhang等人[21]指出，使用超声波后，界面扩散层厚度从1.7 μm增加到3.7 μm。Wu等人[22]的研究表明，超声波的应用使形成区的IMC层平均厚度从2.71 μm降低到1.22 μm，从而提高了接头性能。此外，Yu等人[23]观察到，在常规FSW条件下，TiAl₃层厚度为8.5 nm至9.9 nm；而在超声波辅助条件下，TiAl₃层厚度降低到4.8 nm至8.7 nm。当形成200 nm厚的TiAl₃层时，搭接剪切载荷增加到4.37 kN[15]。Hatano等人[24]发现，当IMC厚度超过400 nm时，机械性能显著下降。综上所述，适当的纳米级IMC层厚度可以进一步提高界面结合强度。

通常，超声波设备的位置决定了超声波的传播路径。在传播过程中超声波的能量衰减是不可避免的[25]。因此，直接与超声波头接触的区域可以获得最佳效果。对于不同金属的传统FSW，结合界面始终是薄弱环节。当超声波设备倾斜并固定在焊接机前方时，超声波头直接压在焊缝顶部。虽然界面结合得到了改善，但底部界面仍然是接头断裂的常见位置之一。Ma等人[26]证明，即使在Ti侧底部施加超声波，接头底部界面仍是最薄弱的环节。

值得注意的是，对于Al与Ti的不同金属接头，由于温度低和搅拌效果不佳，焊缝底部的材料流动始终较弱，导致界面结合质量较差。基于尾随支撑摩擦搅拌焊接（TSFSW）的技术特点，对Al与Ti的焊接实验是在底部界面施加超声波的情况下进行的。详细比较和分析了有无底部超声波辅助时的温度场、轴向载荷、微观结构演变及界面演变情况，并建立了基于界面结构的结合增强机制。

章节摘录

实验材料

图1展示了UA-TSFSW的3D视图和实际视图，反映了焊接工具、尾随支撑柱和超声波头之间的位置关系。支撑柱位于焊接工具下方，超声波头位于支撑柱前方。在空气 cylinder提供的0.2 MPa压力下，超声波头压在焊缝底部。超声波频率为20 KHz，功率为1 kW。基材为6061-T6铝合金

宏观结构与微观结构

图3显示了不同条件下的接头表面和截面情况。在UA-TSFW过程中，上下表面的电弧模式较为平滑。焊缝宽度分别为15 mm（图3a）、13.5 mm（图3e）和13 mm（图3i），对应于300 mm/min（高速条件）、500 mm/min（中等条件）和700 mm/min（低速条件）。在高速条件下，铝侧上下表面观察到周期性分布。

超声波对热循环和焊接载荷的影响

图14显示了UA-TSFW和TSFW过程中铝侧的热循环情况。在UA-TSFW中，部分超声波能量通过能量耗散转化为热能，同时超声波波引起工件的周期性运动和相互摩擦，从而在焊接前产生热量。这种预热热量在不同焊接速度下几乎相同。因此，施加超声波后初始温度从25 °C上升到75 °C。

结论

采用UA-TSFW和TSFW在不同焊接速度下进行了Al与Ti的焊接实验，分析了焊接过程中的温度循环和轴向载荷。基于Al/Ti结合界面处的IMCs，建立了界面结合机制和超声波强化机制。主要结论如下：

• 1.
  超声波振动通过声学抗摩擦效应（间歇性接触）和声学软化效应决定了峰值温度

作者贡献声明

黄永贤：资源筹措、资金获取。刘慧洁：项目管理、方法论制定、资金获取、概念构思。高一松：编写 – 评审与编辑。左盈盈：编写 – 评审与编辑、初稿撰写、方法论制定、数据整理

作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。本文不包含任何涉及人类参与者或动物的实验。

数据和材料的可用性

目前无法共享用于复现这些结果的原始/处理数据，因为这些数据仍是正在进行的研究的一部分。

? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52075122）的支持。