Page 27 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 张轩等： 超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验 689

4 实验研究 表 1 实验参数

Table 1 Experimental parameters
4.1 UAFSW焊接实验
将加工装配好的 UAFSW 工具头装夹在机床 实验组别 加载 焊接 焊接速度 转速/ 轴肩半径
超声 压力/kN /(mm·s −1 ) (r·min −1 ) /mm
主轴上，对规格为100 mm × 50 mm × 5 mm的6061
对照组 是 2.6 1.4 900 8
铝合金板材样件进行焊接实验研究。如表 1 所示，
UAFSW实验共设有1组对照组和5组实验组，对照 实验组 I 否 2.6 1.4 900 8
组的焊接参数来自于仿真分析，对应加载超声、焊 实验组 II 是 5 1.4 900 8
接压力、焊接速度、转速和搅拌头轴肩半径设置了 5 实验组 III 是 2.6 2.8 900 8
组实验组，实验探究不同焊接参数对焊接质量的影 实验组 IV 是 2.6 1.4 600 8
响。图12为按照表1的加工参数完成UAFSW焊接 实验组 V 是 2.6 1.4 900 5
后的样件。

I II III

IV V ིࠫጸ

图 12 实验样件

Fig. 12 Experimental samples

4.2 实验结果分析 量飞边。
观察如图 13 所示的实验组 I 与对照组可以发 观察如图 15所示的实验组 III 与对照组焊缝可
现，焊缝处均能形成良好的焊接表面，只是没有加入 以看出，焊接速度过大会导致焊缝表面形成较深的
超声时焊接表面比较粗糙，且有细小的起皮现象，而 沟槽，这是因为焊接速度过大时，焊接区域的材料没
加入超声后焊缝表面比较光滑，只有细微的搅拌头 有得到充分的塑性流动，塑性变形的材料来不及将
留下的划痕，说明超声振动的加入能够减小搅拌头 搅拌头后方的空间完全填充，在焊缝处留下沟槽。
与工件材料的摩擦力，防止焊缝材料与搅拌头发生 观察如图 16 所示的实验组 IV 与对照组焊缝可
粘连，从而起到改善表面质量的效果。 以看出，搅拌头转速过低，导致焊缝处热输入量不
观察如图 14 所示的实验组 II 与对照组的焊缝 足，材料流动不充分，在表面形成了大量褶皱，甚至
可以发现，增大搅拌头对待焊工件的轴向压力，可以 出现了细微沟槽。但是转速也不宜过大，转速过高
有效改善表面光洁度，但是压力过大会导致焊缝处 会导致热输入量过大，造成与实验组 II类似的缺陷。
温度上升过快，甚至接近工件的液相线温度，使得搅 但是，与 FSW 相比，UAFSW 可以适当提高搅拌头
拌区出现了局部熔化的现象，并且过大的轴向压力 的转速，这是由于在超声减摩的作用下，搅拌头会降
会将这些熔化的金属挤出轴肩，在焊缝边缘生成大 低和工件材料的粘连，从而减少起皮现象的发生。