隨著輕量化和節(jié)能減排的要求，鋁作為一種有吸引力的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在許多與交通相關(guān)的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。變形鋁合金根據(jù)其化學(xué)成分可分為不可熱處理材料和可熱處理材料。不可熱處理合金的最終機(jī)械性能取決于成形過(guò)程中引入的固溶強(qiáng)化。相反，熱處理和時(shí)效處理是提高沉淀強(qiáng)化合金強(qiáng)度的主要途徑。這些合金的熱處理工藝包括高溫固溶以溶解合金元素，然后快速冷卻至室溫以提供過(guò)飽和固溶體。

　　AA-7075等沉淀強(qiáng)化鋁合金的特點(diǎn)是固溶態(tài)強(qiáng)度相對(duì)較低，延展性較好。因此，回火為直接進(jìn)行時(shí)效處理的高效成形工藝提供了充分的條件。例如激光束焊接，可用于成型半成品的進(jìn)一步加工。然而，在激光束焊接中，集中的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)(HAZ)的組織發(fā)生有害的變化，這種變化通常只能通過(guò)后續(xù)的熱處理才能逆轉(zhuǎn)。

　　而盛行的融化熔池動(dòng)力學(xué)對(duì)最終焊縫幾何形狀起關(guān)鍵作用。在這種情況下，熔池動(dòng)力學(xué)不僅是推動(dòng)激光束在焊接過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，也是由于所謂的MARANGONI效應(yīng)引起的。此效果是由于焊接區(qū)內(nèi)的溫差導(dǎo)致表面大張力和剪切力?；瘜W(xué)成分是決定溫度升高時(shí)表面張力減小或增加的決定因素。這最終導(dǎo)致更寬或更深的熔池。利用振動(dòng)在焊接領(lǐng)域研究已經(jīng)很常見(jiàn)了。例如超音波，焊接是基于機(jī)械振動(dòng)的過(guò)程范圍從20到65kHz。兩個(gè)工件之間產(chǎn)生的摩擦力以及壓制所需的力允許焊接這些部分。但是，超聲波焊接的特點(diǎn)是相對(duì)連接區(qū)域的強(qiáng)度低。作為一種完全替代的方法，機(jī)械振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)也可以被利用在熔焊過(guò)程中激光束焊接。這樣，可以克服熔焊中的主要問(wèn)題。這項(xiàng)研究的目的是改善難焊接合金的焊接結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能。

　　激光焊接是具有集中的熱量輸入和局部顯微組織演變。在這種情況下，用于改善焊接性能的一種方法是將機(jī)械感應(yīng)聲波疊加到激光束焊接過(guò)程中。產(chǎn)生的聲波壓電振動(dòng)器可促進(jìn)各種機(jī)械，冶金，流體和熱力學(xué)效應(yīng)，最終導(dǎo)致明顯的枝晶剪切并在凝固過(guò)程中增強(qiáng)成核作用，從而使焊縫中的晶粒組織更細(xì)。此外，振動(dòng)提高了凝固速度，因此強(qiáng)烈影響了樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)時(shí)間。目前已經(jīng)對(duì)鋁合金AA-5083和AA-6082以及高強(qiáng)度鋼的焊縫產(chǎn)生了積極影響。本研究的主要目的是研究不同的熱處理策略和聲波疊加激光束焊接工藝對(duì)AA-7075焊接接頭的組織變化和力學(xué)性能的影響。

　　近日，來(lái)自德國(guó)的卡塞爾大學(xué)的一項(xiàng)最新研究表明，通過(guò)不同的熱處理策略和聲波疊加激光束焊接工藝優(yōu)化提升AA-7075焊接接頭的組織和力學(xué)性能，從而獲得比傳統(tǒng)AA-7075焊接接頭更高的強(qiáng)度。相關(guān)論文以題為“On the influence of in situ sound wave superposition on the microstructure of laser welded 7000 aluminum alloys”于近日發(fā)表在Journal of Advanced Joining Processes雜志上。

　　論文鏈接：

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

　　在這項(xiàng)工作中，研究人員充分利用可以掃頻的壓電振子來(lái)確定有利的激勵(lì)參數(shù)，根據(jù)各種邊界條件，例如：到連接區(qū)的距離、夾緊情況或元件幾何形狀和材料厚度，可以分別設(shè)置最優(yōu)參數(shù)。為了詳細(xì)考察振動(dòng)篩和夾緊裝置的位置影響，分別改變了振動(dòng)器的位置和夾緊裝置的位置。然后，根據(jù)相機(jī)記錄的數(shù)據(jù)分析，在實(shí)際焊接試驗(yàn)之前，將這些參數(shù)作為激勵(lì)參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行評(píng)估，以便確定最有希望的激勵(lì)參數(shù)。

圖1.不同的波類型的（a）幾何函數(shù)和（b）疊加原理的函數(shù)

圖2.剪切成像技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)分析的裝置原理圖

圖3.拉伸試驗(yàn)的樣品位置示意圖

圖4.（a）安裝在激光焊接單元中的原位表征的測(cè)量裝置以及（b，c）通過(guò)剪切成像在組件表面上傳播的聲波的可視化

圖5.在壓電振動(dòng)器到接合區(qū)域的恒定距離時(shí)，作為不同激勵(lì)參數(shù)的函數(shù)，靠近表面的最終振動(dòng)的可視化和分析

圖6.不同激勵(lì)頻率對(duì)焊縫幾何形狀的影響

圖7.維氏硬度（a）示意圖、（b）自然時(shí)效一天、（c）自然時(shí)效30天

圖8.AA-7075在恒定焊接參數(shù)下（a）不同激勵(lì)頻率對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率和（b）極限抗拉強(qiáng)度

圖9.聲波疊處理的焊縫結(jié)構(gòu)和熱影響區(qū)

圖10.接縫中心位置的各種機(jī)械感應(yīng)聲波的AA-7075合金焊接的SEM顯微組織

　　研究者主要以AA-7075合金為研究對(duì)象，研究了7000系列高強(qiáng)鋁合金激光焊接工藝的疊加。特別是，在這里提出的研究中，激光焊接過(guò)程的疊加在多大程度上可以改善基本的可焊性的問(wèn)題是最重要的。首先，在考慮各種邊界條件(如連接幾何形狀、振動(dòng)器位置和夾緊裝置的位置)的情況下，可用于高強(qiáng)7000系列鋁合金的組元相關(guān)聲波激勵(lì)。其次，如果在考慮所有相關(guān)邊界條件的情況下選擇最佳參數(shù)，則可以在接合區(qū)獲得明確的機(jī)械誘導(dǎo)聲波引起的部件振動(dòng)。再次，根據(jù)參數(shù)設(shè)置的不同，高強(qiáng)度AA-7075的焊縫幾何形狀可能會(huì)受到聲波疊加的影響。對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率和極限抗拉強(qiáng)度有正向影響。最后，由于激勵(lì)對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的影響，熱影響區(qū)的形成也會(huì)受到聲波疊加的影響。隨著頻率的增加，熱影響區(qū)寬度減小，枝晶尺寸減小。這項(xiàng)技術(shù)如果得以推廣，將有利于大規(guī)模獲得性能優(yōu)異的鋁合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件或高性能受力產(chǎn)品等。（文：馮馮）