超声能场与搅拌摩擦焊塑性流变材料的耦合作用机理

常规的搅拌摩擦焊接（FSW），需要很大的轴向压力和搅拌头转矩来产生足够的摩擦热，导致设备体积庞大、搅拌头磨损、焊接速度较低。超声振动作为一种机械能，在加工过程中可降低材料的变形抗力。在FSW过程中施加超声振动，使得搅拌头周围的材料更容易发生塑性流动，从而可以改善焊接质量、降低焊接载荷并提高焊接速度。然而，超声振动对FSW焊接热过程和塑性材料流动的影响机理仍未阐明。本项目直接将超声振动施加在搅拌头前方的待焊工件上，研制了“超声振动强化搅拌摩擦焊接 (UVeFSW)” 实验系统；从数值分析和实验表征两方面研究了UVeFSW过程中超声能场与塑性流变材料的相互作用机理。 提出了三种定量表征剪切层内材料流动的实验方法，分别表征了搅拌头周围的塑性变形材料体积、连续流动的材料流速和非连续流动的材料应变和应变速率。基于位错热激活理论，分析了超声振动对塑性变形材料位错运动的影响，修正了材料本构关系。建立了“超声能场-热场-应变场-流场”耦合的UVeFSW数理模型，定量分析了UVeFSW过程中超声声压、声场能量密度、产热、传热、应变/应变速率、粘度和材料流动的动态变化规律。结果表明，搅拌头前方的超声振动能场与塑性变形材料相互作用，降低了材料的塑性变形激活能，产生声致软化效应，提高了搅拌头附近材料的塑性流动性，使得塑性变形材料体积扩大、焊核区晶粒发生细化并改变了晶粒取向、再结晶过程进行得更加彻底。阐明了超声振动改善焊接接头组织与性能的物理机制，为提升高强铝合金结构的焊接制造水平奠定了坚实基础。 本项目已发表期刊论文31篇（其中，SCI收录28篇，EI收录3篇）。在国际会议做特邀大会报告（Plenary/Keynote）3次、邀请报告（Invited）3次。授权发明专利1项。获得两项国际学术奖励。培养出站博士后1人、博士生6人、硕士生4人；有2篇学位论文被评选为2018和2016年度山东省优秀博士和硕士论文。组织举办国际会议1次。 2100433B

超声可降低材料的变形阻力，是一种能耗低、利用率高的辅助能量。前期研究表明，在搅拌头前方待焊工件上施加超声能场，可减少材料塑性流变所需的摩擦热量；降低焊接载荷并改善焊接质量的工艺效果明显。但超声改变摩擦搅拌区塑性变形材料行为的机制，尚未阐明。本项目拟研究搅拌摩擦焊接过程中超声能场与塑性流变材料的相互作用机理。探究超声波在搅拌头附近塑性变形材料中的传输、耦合及作用规律；构建摩擦搅拌区超声体积效应与表面效应的描述和表征方法；阐明超声能场改变材料屈服应力和流动应力的物理机制。提出超声作用下材料本构关系的修正方法，建立超声能场-应变场-流场-热场的耦合模型，定量分析和测试超声能场作用下搅拌头附近材料塑性流动行为、产热特点、温度分布特征等；实现超声参量、焊接工艺参数与接头组织性能之间的优化与匹配。为有效地指导超声能量在搅拌摩擦焊接过程中的合理应用、提升我国高强铝合金结构的焊接制造水平奠定坚实基础。

1)建立一种耦合高压与高应变率效应的塑性变形基本特性方程：选择剪切模量为流动应力尺度，由剪切模量的密度与温度相关性及高压状态方程，确定流动应力尺度的压力与温度相关性。在此尺度下度量流动应力，由应变率控制机理，确定无量纲流动应力与无量纲应变率及温度的相关性。从而表达高压与高应变率对于塑性变形耦合效应的可分离函数特性。2）揭示非过载平面冲击波定常塑性波流动应力随高压与高应变率变化的实测结果：发展锰铜应。 2100433B

超塑性混凝土又称流态混凝土。即在已拌制好的坍落度为80~150mm的混凝土拌合物中加入流化剂，再经搅拌，使其坍落度立即增大至180~200mm，成为具有高度流动性和良好粘聚性的混凝土拌合物 。