原位声波叠加！对7000系铝合金激光焊接组织性能的影响

　　随着轻量化和节能减排的要求，铝作为一种有吸引力的轻质结构材料，在许多与交通相关的领域得到了广泛应用。变形铝合金根据其化学成分可分为不可热处理材料和可热处理材料。不可热处理合金的最终机械性能取决于成形过程中引入的固溶强化。相反，热处理和时效处理是提高沉淀强化合金强度的主要途径。这些合金的热处理工艺包括高温固溶以溶解合金元素，然后快速冷却至室温以提供过饱和固溶体。

　　AA-7075等沉淀强化铝合金的特点是固溶态强度相对较低，延展性较好。因此，回火为直接进行时效处理的高效成形工艺提供了充分的条件。例如激光束焊接，可用于成型半成品的进一步加工。然而，在激光束焊接中，集中的热输入会导致热影响区(HAZ)的组织发生有害的变化，这种变化通常只能通过后续的热处理才能逆转。

　　而盛行的融化熔池动力学对最终焊缝几何形状起关键作用。在这种情况下，熔池动力学不仅是推动激光束在焊接过程中的运动，也是由于所谓的MARANGONI效应引起的。此效果是由于焊接区内的温差导致表面大张力和剪切力。化学成分是决定温度升高时表面张力减小或增加的决定因素。这最终导致更宽或更深的熔池。利用振动在焊接领域研究已经很常见了。例如超音波，焊接是基于机械振动的过程范围从20到65kHz。两个工件之间产生的摩擦力以及压制所需的力允许焊接这些部分。但是，超声波焊接的特点是相对连接区域的强度低。作为一种完全替代的方法，机械振动的优势也可以被利用在熔焊过程中激光束焊接。这样，可以克服熔焊中的主要问题。这项研究的目的是改善难焊接合金的焊接结构完整性和机械性能。

　　激光焊接是具有集中的热量输入和局部显微组织演变。在这种情况下，用于改善焊接性能的一种方法是将机械感应声波叠加到激光束焊接过程中。产生的声波压电振动器可促进各种机械，冶金，流体和热力学效应，最终导致明显的枝晶剪切并在凝固过程中增强成核作用，从而使焊缝中的晶粒组织更细。此外，振动提高了凝固速度，因此强烈影响了树枝晶的生长时间。目前已经对铝合金AA-5083和AA-6082以及高强度钢的焊缝产生了积极影响。本研究的主要目的是研究不同的热处理策略和声波叠加激光束焊接工艺对AA-7075焊接接头的组织变化和力学性能的影响。

　　近日，来自德国的卡塞尔大学的一项最新研究表明，通过不同的热处理策略和声波叠加激光束焊接工艺优化提升AA-7075焊接接头的组织和力学性能，从而获得比传统AA-7075焊接接头更高的强度。相关论文以题为“On the influence of in situ sound wave superposition on the microstructure of laser welded 7000 aluminum alloys”于近日发表在Journal of Advanced Joining Processes杂志上。

　　论文链接：

　　http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

　　在这项工作中，研究人员充分利用可以扫频的压电振子来确定有利的激励参数，根据各种边界条件，例如：到连接区的距离、夹紧情况或元件几何形状和材料厚度，可以分别设置最优参数。为了详细考察振动筛和夹紧装置的位置影响，分别改变了振动器的位置和夹紧装置的位置。然后，根据相机记录的数据分析，在实际焊接试验之前，将这些参数作为激励参数的函数进行评估，以便确定最有希望的激励参数。

图1.不同的波类型的（a）几何函数和（b）叠加原理的函数

图2.剪切成像技术进行振动分析的装置原理图

图3.拉伸试验的样品位置示意图

图4.（a）安装在激光焊接单元中的原位表征的测量装置以及（b，c）通过剪切成像在组件表面上传播的声波的可视化

图5.在压电振动器到接合区域的恒定距离时，作为不同激励参数的函数，靠近表面的最终振动的可视化和分析

图6.不同激励频率对焊缝几何形状的影响

图7.维氏硬度（a）示意图、（b）自然时效一天、（c）自然时效30天

图8.AA-7075在恒定焊接参数下（a）不同激励频率对断裂伸长率和（b）极限抗拉强度

图9.声波叠处理的焊缝结构和热影响区

图10.接缝中心位置的各种机械感应声波的AA-7075合金焊接的SEM显微组织

　　研究者主要以AA-7075合金为研究对象，研究了7000系列高强铝合金激光焊接工艺的叠加。特别是，在这里提出的研究中，激光焊接过程的叠加在多大程度上可以改善基本的可焊性的问题是最重要的。首先，在考虑各种边界条件(如连接几何形状、振动器位置和夹紧装置的位置)的情况下，可用于高强7000系列铝合金的组元相关声波激励。其次，如果在考虑所有相关边界条件的情况下选择最佳参数，则可以在接合区获得明确的机械诱导声波引起的部件振动。再次，根据参数设置的不同，高强度AA-7075的焊缝几何形状可能会受到声波叠加的影响。对断裂伸长率和极限抗拉强度有正向影响。最后，由于激励对熔池动力学的影响，热影响区的形成也会受到声波叠加的影响。随着频率的增加，热影响区宽度减小，枝晶尺寸减小。这项技术如果得以推广，将有利于大规模获得性能优异的铝合金高强结构零件或高性能受力产品等。（文：冯冯）