《Ultrasonics》：Application of ultrasonic technology in sheet joining: review article
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摘要超声波连接在板材的低损伤、高效率制造中发挥着重要作用，其优势包括能量集中、热影响区小以及无需填充材料。本文从三个方面进行了总结：超声波连接工艺、超声波无损检测（NDT）以及数据驱动方法的应用。在超声波连接方面，根据超声波机理的差异，对超声波在板材连接中的主要应用形式进行了
摘要
超声波连接在板材的低损伤、高效率制造中发挥着重要作用，其优势包括能量集中、热影响区小以及无需填充材料。本文从三个方面进行了总结：超声波连接工艺、超声波无损检测（NDT）以及数据驱动方法的应用。在超声波连接方面，根据超声波机理的差异，对超声波在板材连接中的主要应用形式进行了综述，其中超声波振动效应已成为各种复合连接工艺中重要的性能提升手段。在超声波无损检测方面，原位检测、非接触检测以及智能化方法代表了当前的主要发展方向。在数据驱动方法方面，本文总结了其在工艺优化和过程监控中的当前应用现状，并指出现有模型的弱跨场景迁移能力和泛化性能不足仍是关键瓶颈。最后，本文概述了未来的发展方向，包括多能场复合、机器学习辅助工艺控制以及高功率设备开发。
引言
板材的连接质量直接决定了结构件的力学性能、可靠性和使用寿命。随着制造业向"轻量化、高精度和绿色制造"转型，铝合金和镁合金、碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料以及工程塑料等轻质板材材料的应用日益广泛。这一趋势对连接技术提出了更高的要求，要求其同时满足"低损伤、高效和零污染"的核心需求[1]。传统的板材连接技术存在明显局限性。焊接工艺（如电弧焊、电阻焊和搅拌摩擦焊）通常会产生较大的热影响区，导致金属板材晶粒粗化、复合材料基体退化以及焊接变形[2]。机械连接方法（如螺栓连接、铆接和自冲铆接）会在板材中引入应力集中，破坏复合材料纤维，并降低结构承载能力。粘接工艺则依赖较长的固化时间，导致效率低下，且易受环境湿度和温度变化影响。
20世纪20年代，美国物理学家开展了超声波加工雕刻和钻孔的早期实验研究，随后A.S. Cohen开发了第一台超声波加工设备。20世纪50年代初，日本学者提出了超声波振动切割理论。20世纪70年代，超声波技术取得了突破性进展，实现了塑料和金属等材料的连接，推动了汽车和电子行业制造工艺的创新[3]。超声波连接技术的机理——包括超声波焊接（UW）和超声波辅助连接（UAJ）——涉及超声波振动直接引起的机械效应和材料界面摩擦生热产生的热效应[4]。凭借其能量集中、热影响区小、无需填充材料、响应迅速、高效和清洁等优势，该技术已广泛应用于钢、铝、钛、铜和镁等金属[5]、[6]，以及复合材料和纸张等非金属材料[7]、[8]、[9]、[10]，以及各种异种材料组合[11]、[12]、[13]。本文聚焦于超声波作用机理，系统综述了其在板材连接中的当前应用。总结了超声波无损检测技术的发展趋势，综述了超声波技术与数据驱动方法的结合，并基于当前研究和工业实践，分析了超声波工艺应用中面临的挑战。同时讨论了未来的发展方向，为超声波技术在板材连接中的产业化推广和实际应用提供理论支持和指导。
章节摘要
超声波连接工艺
在超声波连接过程中，发生器产生高频电信号，通过换能器转换为同频率的机械振动。在静态压力下，振动通过超声波角传递至待连接板材的搭接界面。由于板材表面的微观粗糙度，高频振动在界面处产生摩擦，进而产生摩擦热。随着温度升高，
超声波辅助连接工艺
超声波辅助连接（UAJ）是一种通过施加超声波能量来提升连接效果的复合技术。通过将超声波作为辅助能量源，并将其与传统工艺如焊接、铆接、粘接和增材制造相结合，UAJ利用超声波振动和热效应修改连接界面，从而克服传统工艺固有的缺陷和性能局限[45]、[46]。
超声波无损检测
20世纪20年代，苏联科学家谢尔盖·索科洛夫（Sergei Sokolov）将超声波应用于金属结构内部缺陷检测，开创了超声波无损检测（NDT）领域[97]、[98]。该技术通过分析材料中波传播的异常来实现对缺陷（如裂纹和空洞）的精确检测，并迅速在航空航天和造船等领域得到广泛应用。近年来，实时无损检测的优势
数据驱动方法与超声波工艺的协同发展
数据驱动技术为应对超声波工艺的复杂性提供了一种新途径。通过在整个过程中——从工艺设计到性能测试——收集和分析数据，建立内在相关性。这使得工艺优化更加依赖科学数据而非人工经验[4]。
飞行时间衍射（TOFD）成像技术广泛用于管道环焊缝检测；然而，其纵向和横向分辨率
当前挑战与未来发展
超声波连接技术基于机械振动、界面热效应及其耦合的协同作用，为板材连接提供了一种低损伤、高效和绿色的解决方案。它在金属、复合材料、塑料和异种材料连接方面具有显著优势，已成为汽车、航空航天和电子等行业的关键制造技术。通过对近期科学文献的深入分析，我们
CRediT作者贡献声明
梁业：撰写——初稿。魏哲：撰写——初稿，形式化分析。石叶：撰写——初稿，调查研究。闫明：监督指导。雷雷：撰写——审阅与编辑，监督指导。
未引用参考文献
[14]、[15]、[42]、[43]。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：雷雷报告获得了国家自然科学基金的财务支持。雷雷报告获得了辽宁省教育厅高校重点项目的财务支持。雷雷报告与自然科学基金存在的关系包括：资金资助。雷雷
致谢
本研究由国家自然科学基金[52305397]和辽宁省教育厅高校重点项目[LJ212410142004]资助。
梁业|魏哲|石叶|闫明|雷雷
沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870，中国
