（材料加工工程专业论文）超声波焊接制备铝基智能复合材料技术研究.pdf

摘要 摘要 金属基智能复合材料具有自我感知、自我诊断和自我管理能力，相比聚合 物基智能复合材料，具有更高强度，适合在高温、腐蚀性及恶劣环境中使用， 可满足更高安全需要等优点。本文使用超声波金属焊接快速成型方法埋入光纤 布拉格光栅( f b g ) 传感器至6 0 6 1 铝基体中来制造金属基智能复合材料。对超 声波金属焊接、光纤传感器埋入6 0 6 1 铝基体进行了理论分析和有限元仿真，并 对f b g 传感器埋入铝基体的组织性能和传感性能实验结果进行了可行性研究。 首先，f b g 传感器可埋入金属基体的两个关键机制为超声波金属焊接的表 面效应和体积效应。表面效应描述的是相互接触界面的摩擦；而体积效应发生 在整个金属成形过程中，对金属基体内应力和塑性变形有较显著影响。基于这 两个关键机制建立了材料模型和摩擦模型，并依托所建立的计算分析模型实现 了超声波金属焊接的热机耦合有限元分析，结果表明在铝箔片超声焊极界面处 铝合金具有最高温度和最大塑性变形，且最高温度低于熔点温度，在焊接压力 为1 7 5 m p a 、超声振幅为8 4 i - u n 、焊接时间为6 0 m s 的情况下，最高温度为 3 5 7 4 6 6 ，随着焊接压力持续增加会出现粘焊现象。在此基础上进行了光纤传 感器埋入铝基体的有限元分析，表明f b g 传感器可埋入铝基体而不至破坏失效。 其次，论文通过实验方法优化了光纤传感器埋入铝基体的焊接参数，优化 参数为：超声振幅3 5 1 m a 、焊接时间2 3 0 m s 、焊接气压0 5 m p a 、超声焊极选用 1 5x1 5 m m 的正方形沙磨面。进一步加深了对超声波金属焊接的理解：超声波金 属焊接后，基体材料的硬度得到了提高，特别在光纤周围；焊件连接强度随超 声能量和超声时间的增大而线性增大最后趋于稳定；焊接后基体材料的晶粒尺 寸几乎不变，但晶粒取向发生了变化，使组织各向同性增强。 最后，论文考虑到f b g 传感器埋入金属基体中极易破坏失效，因此首先对 f b g 传感器进行了金属化保护，并使用优化的焊接参数成功埋入了f b g 传感器。 获得了具备较好温度传感性能的金属基智能复合材料，说明超声波金属焊接制 备金属基智能复合材料是切实可行的。 关键词：金属基智能复合材料；超声波金属焊接；光纤布拉格光栅( f b g ) ；6 0 6 1 铝合金；表面效应；体积效应；热机耦合有限元分析 1 a b s t r a c t a b s t r a c t m e t a lm a t r i xs m a r tc o m p o s i t em a t e r i a l s 诵ms e l f - a w a r e n e s s ，s e l f - d i a g n o s i sa n d s e l f - m a n a g e m e n ta b i l i t y ，c o m p a r e dt op o l y m e r - m a t r i xs m a r tc o m p o s i t em a t e r i a l s w i t h h i g h e rs t r e n g t h ，s u i t a b l e f o r h i g ht e m p e r a t u r e ，c o r r o s i v e a n dh a r s h e n v i r o n m e n t s ，t om e e th i g h e rs e c u r i t yc o n d i t i o n s ，e t c 砸sp a p e ru s e st h er a p i d p r o t o t y p i n gm e t h o do fu l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n ge m b e d d e do p t i c a lf i b e rg r a t i n g s ( f i b e rb r a g gg r a t i n g s ，f b g ) t o6 0 6 1a l u m i n u ma l l o ym a t r i c e st om a k em e t a l - m a t r i x s m a r tc o m p o s i t em a t e r i a l s s t r u c t u r e t h e6 0 61a l u m i n i u ma l l o yu l t r a s o n i cw e l d i n g a n df i b e ro p t i cs e n s o r se m b e d d e di na 1m a t r i xa r es t u d i e di nat h e o r e t i c a la n a l y s i s a n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c er e s e a r c ho fo r g a n i z a t i o na n ds e n s i n g a f t e rt h ef b gs e n s o r se m b e d d e di na 1m a t r i xa r ec o n d u c t e db ye x p e r i m e n t s f i r s t l y ，t w ok e ym e c h a n i s m sw e r ei d e n t i f i e dw h i c hl e a dt oe m b e d d i n go ff b g s e n s o r sw i t h i nam e t a lm a t r i x k n o w na st h es u r f a c ee f f e c ta n dv o l u m ee f f e c t 。乃e s u r f a c ee f f e c td e s c r i b e s t h ei n t e r f a c i a lf r i c t i o nb e t w e e nt h et w om a t i n gs u r f a c e s e f f e c t ，w h i l et h ev o l u m ee f f e c tc o n c e r n st h ei n t e r n a ls t r e s s e sa n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n w i t h i nt h e m e t a l ，d u r i n g u l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g b a s e do nt h e s et w ok e y m e c h a n i s m sf o re s t a b l i s h i n gt h em a t e r i a lm o d e la n df r i c t i o nm o d e l ，a n dr e l y i n go n t h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i sm o d e la c h i e v et h et h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h eu l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a l u m i n u mw i t ht h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h em a x i m u mp l a s t i cd e f o r m a t i o na tt h e a l u m i n u mf o i l s o n o t r o d ei n t e r f a c e ，a n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r eb e l o wt h e a l u m i n i u ma l l o ym e l t i n gt e m p e r a t u r e i nt h ec a s eo ft h ew e l d i n gp r e s s u r e17 5 m p a , u l t r a s o n i ca m p l i t u d e8 a l m a ，w e l d i n gt i m e6 0 m sr e a c ht h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo f 3 5 7 4 6 6 w i t hw e l d i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h e a lm a t r i xs t i c ki ns o n o t r o d e b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s u l t ss u c c e s s f u l l yp e r f o r m t h e r m o - m e c h a n i c a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e so ft h ef i b e re m b e d d i n gw i t h i na l u m i n u m a l l o y6 0 6 1 m a t r i c e s ，s h o wt h a tt h ef b gs e n s o r sc a nb ee m b e d d e di na 1m a t r i xa n d n o tt ob eb r o k e nt oi n v a l i d i i a b s t r a c t i na d d i t i o n , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，o b t a i nt h eo p t i m i z e dw e l d i n gp a r a m e t e r s o ft h ef b gs e n s o rw i t h i na 1m a t r i x t h ep a r a m e t e r s ：u l t r a s o n i ca m p l i t u d e35 p r o ， w e l d i n gt i m e2 3 0 m s ，w e l d i n ga i rp r e s s u r e0 5 m p a , s o n o t r o d es u r f a c e15 15 m m s q u a r es a n dg r i n d i n gs u r f a c e f u r t h e rd e e p e n e dt h eu n d e r s t a n d i n go fu l t r a s o n i cm e t a l w e l d i n g ：a f t e ru l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g ，t h eh a r d n e s so ft h em a t r i xm a t e r i a lh a sb e e n i n c r e a s e d ，e s p e c i a l l yp r o x i m i t yt h ef i b e r w i t ht h ew e l d i n gt i m ea n du l t r a s o n i c e n e r g yi n c r e a s e s ，t h ec o n n e c t i o ns t r e n g t ht e n dt oi n c r e a s el i n e a r l yf i r s t l yt h e n b a s i c a l l yu n c h a n g e d t h eg r a i ns i z eo ft h em a t r i xm a t e r i a li s a l m o s tu n c h a n g e d ， h o w e v e rt h eg r a i no r i e n t a t i o ni sc h a n g e d ，s ot h a to r g a n i z a t i o n si s o t r o p i ce n h a n c e d f b gs e n s o r se m b e d d e di nm e t a lm a t r i c e sa l ee a s i l yd a m a g e da n db r o k e n a m e t h o di st h e r e f o r ep r e s e n t e df o rt h em e t a l l i z a t i o no ff b gb yt h ec o m b i n a t i o no f e l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n ga n de l e c t r on i c k e lp l a t i n g ，f o l l o w e db ye m b e d d i n gt h e c o a t e df b gi na l la l u m i n u ma l l o y6 0 61m a t r i xs u c c e s s f u l l yb yu s i n go p t i m i z a t i o n w e l d i n gp a r a m e t e r s t h es m a r tm e t a l s t r u c t u r e st h a tw e r ef a b r i c a t e dh a dg o o d t e m p e r a t u r es e n s i n gp r o p e r t i e s t h e f a b r i c a t i o no fs m a r tm e t a ls t r u c t u r e su s i n g u l t r a s o n i cw e l d i n gw a ss h o w nt ob ef e a s i b l e k e yw o r d s ：m e t a lm a t r i xs m a r tc o m p o s i t e s ；u l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g ；f i b e rb r a g g g r a t i n g s ( f b g ) ；6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y ；s u r f a c ee f f e c t ；v o l u m ee f f e c t ； t h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 第1 章绪论 1 1 快速制造技术 1 1 1 选择性激光烧结 第1 章绪论 1 9 9 2 年美国t e x a s 大学研究生d e c k a r d 设计出s l s 成形机【l 】，其成形原理 为：应用激光在粉末原料上按零件截面形状进行扫描，使粉末在扫描路径上迅 速成形并与前一层结合，从而逐层烧结成形的制造方法。成形过程如图1 1 。 就目前s l s 的发展而言主要有间接s l s 和直接s l s 2 4 】两种工艺。其主要 特点是所使用的原材料较广，可用来制各金属结构零件。由于未烧结的粉末起 到了支撑的作用，所以s l s 工艺无需附加支撑，没有压力，这也使得利用这种 方法在金属粉末里埋入智能材料成为可能。但在埋入智能材料的过程中，也存 在着一些问题。当滚筒滚压金属粉末时，埋入到金属粉末中的功能纤维的摆放 位置很难得到保证，滚筒也可能接触到功能纤维，从而影响智能金属材料的智 能性。另外，在间接s l s 加工过程中，后处理温度较高，这也可能破坏到埋入 金属粉末中的功能材料，从而影响材料的智能性。 图1 1 选择性激光烧结示意图 1 1 2 直接金属激光烧结【5 ，6 】 直接金属激光烧结( d m l s ) 的成形过程在光滑有孔的平面上进行，平台 第1 章绪论 使用特殊的夹具和定位装置，由可复制的c a d 数据得到参考点和表面数据。参 考点用来确保使用常规的机械工具就能进行有效可靠的精加工。成形过程中机 器具有一个在线校准装置，连续对c 0 2 激光束监控和调整。d m l s 工艺直接对 金属粉末烧结处理，不再需要一些后加工处理过程。与普通的s l s 工艺相比， d m l s 工艺所需要的激光能量更高，成形过程中产生的热变形更大。如果采用 这种工艺在金属中埋入智能单元，由于在加工过程中产生的高温和局部残余热 应力，将很有可能损坏埋入的智能单元。 1 1 3 三维印刷成型 三维印刷成型工艺简称3 d p 成形技术【7 1 。3 d p 工艺的成形原理是利用黏结 剂喷头在粉末原料上按零件截面形状喷洒黏结剂，将零件逐层融结堆积成形， 从而制成零件的方法。其成型设备如图1 2 。 随着3 d p 成形技术通过“冷喷射”来替代高温烧结，也不需要用高压来埋 入功能纤维，这使得其可能用来制备金属基智能复合材料。但是该成形技术中 的高温后处理过程，可能限制该技术在金属基智能复合材料制备中的应用。 1 1 4 电子束熔化成形【8 - 1 0 】 图1 2 三维印刷成型设备 电子束熔化成形技术( e b m ) 采用电子束代替激光来熔化金属粉末，已有商 用的成形机。与s l s 工艺相类似，零件截面形状数据通过切片软件在计算机中 获取，电子束在计算机的控制下，逐层实现金属粉末融结堆积成形。一般该方 法制造的成形零件需要进行表面加工后处理，如研磨、电荷释放等。由于电子 束在使用过程中必须放置于真空舱内。如果用这种加工方法在金属结构中埋入 2 第1 章绪论 功能纤维，由于受到真空舱的限制，需要在舱内增加相应的纤维摆放设备。采 用e b m 成形技术，可以获得质量较好的金属成形零件，但是加工过程中也将 产生非常高的温度，这不利于在金属材料中埋入功能纤维。 1 1 5 叠层实体制造 叠层实体制造工艺( l o m ) 也称分层实体制造，在快速成形中极具代表性 i i , 1 2 】。其成型原理为利用黏结剂粘接金属箔片，用激光切割轮廓，逐层堆积成半 成品，最后对半成品进行热压烧结制得金属零件。该工艺后处理中的高温、高 压对在金属中埋入智能纤维起到阻碍作用。 1 1 6 激光工程化净成形技术 激光工程化净成形技术其成形过程为：首先使用激光熔化金属基体的局部 区域，同时将金属粉末沉积到此局部区域中。此原始模型固定在工作台上，工 作台可进行水平调节，而金属粉末喷嘴固定，通过调节工作台并伴有新的金属 粉末的喷出，那么新的金属就可以继续沉积，这样通过这种叠加的方式可制作金 属零件。使用这种技术已经制作出了一些金属零件，通过混合粉末还可制造出 异种金属零件【l2 1 。该工艺在加工过程中产生了相当高的温度和热变形，这对埋 入在金属中功能材料的性能将产生较大影响。 i i 7 形状沉积制造 形状沉积制造( s d m ) 是由美国斯坦福大学和卡耐基梅隆大学最先开发， 并对该类设备进行了大量的研究工作【1 3 1 。其成形过程如图1 3 。在制造过程中， 零件和支撑都是逐层生成，每层完成之后都是在计算机控制下进行切削加工， 层层叠加直到生成零件，最后通过腐蚀手段将支撑去除。 这种加工工艺是通过外来的作用使得金属熔滴滴在基体上，在热量的影响 相爱基体将发生些许熔化，随着温度的降低将使其形成冶金结合，这种加工方 式可避免输入大量的能量，抑制了零件缺陷形成l l 引。该技术与切削加工相结合， 使得切削加工范围延伸到了零件的内部，可以制造具有成分梯度和结构梯度的 零件f ”】。有希望利用该技术在零件内部埋入传感器件等组件，制造具有自我感 3 第1 章绪论 知、自我监控功能的智能结构。 蝴覃删 1 也么、 正上一立区童蛔j k 盟枞盛石耥区汪蛐枞7 石舯棚 潮f 底， 一f t 甚墨盔 画云疋盈坚掣 气星基蛔 图1 3 形状沉积循环制造埋入传感器过程示意图 1 1 8 超声波固结 超声波金属固接是金属箔片固态叠层加工技术，综合超声波金属焊接与计 算机数控铣削技术实现三维金属零件的制造【1 6 1 9 1 。其成型设备如图1 4 所示。 与前面所提到的快速制造技术相比，金属箔片在超声波金属固接制造过程不必 加热处理，而是在相对较低压力下通过超声波高频振动来实现金属箔片叠层固 态连接。超声波金属焊接制造技术是通过超声换能器将电能转变为高频超声能 ( 即频率处于人耳听觉范围之外的高频机械振动能) ，在一定静压力下，超声能 量通过焊头传递到金属加工工件中，以每秒上万次的超声振动频率使金属加工 工件接触面间产生剧烈磨擦而固化成形。 超声波金属固结技术具有固态成形、低温、低压、低能耗及可实现异种金 属材料连接等优点，这使得超声波金属焊接技术制备金属基智能复合材料成为 可能【2 啦1 1 。在美国自然基金的资助下犹他州立大学运用超声波焊接制造了多功 能金属基复合材料【2 2 , 2 3 1 ，英国拉夫堡大学也进行了相关的研究工作1 9 ，2 睨7 1 ，并成 功的在铝合金基体中埋入了s i c 增强纤维和形状记忆合金等功能纤维。 本文重点是使用超声波金属焊接制备金属基智能复合材料，根据超声固结 的固有特点，探讨了直接使用超声波金属焊接设备埋入功能单元至金属箔片中 的方法，而不使用数控铣床进行改装。超声波金属焊接的主要优点包括：超声 波金属焊接是一种固态加工技术，能耗低，且在焊接过程中不会发生金属基体 的熔化；焊接过程中不需要气体保护，焊件变形小，无须退火等热处理；超声 波焊接对金属件表面氧化层具有破碎清理作用，焊后可使焊件表面光滑，不用 4 第1 章绪论 图1 4 超声固结快速成型设备 进行清理；焊接不产生任何有害气体等污染物是一种节能环保的工艺方法；焊 接材料可用商业化工程材料，包括航空材料，如镁合金、钛合金和铝合金等； 相比传统的智能材料制备方法，箔片基体材料的费用更为低廉；超声波金属焊 接耗时更短、焊接速度快；智能纤维易于摆放，并可保证智能单元的摆放位置 精度；焊接前智能纤维可置于金属箔片间进行超声波预焊，获得摆放位置痕迹， 为埋入一系列智能纤维作准备。 基于超声波金属焊接这些特点，该方法可焊接一些难焊的熔点低且强度高 的合金材料，如铝合金等。与其它焊接方法相比，超声波焊接压力低，能耗低， 且能焊接异种材料1 6 , 1 8 , 2 8 2 9 1 。通过综合利用超声波金属焊接技术和数控铣削技术 来快速成型金属零件，并在成型过程中埋入功能器件来制作金属基智能结构等。 1 2 国内外超声波金属焊接研究概述 1 2 1 国内研究现状 国内目前针对超声波焊接技术方面的研究还比较少，研究主要集中在超声 波金属焊接的实验方面。 张青来等【3 0 】对镁合金箔片的表面状态及其厚度等因素对超声波金属焊接性 能的影响进行了研究，结果表明超声波金属焊接对焊件表面的污浊物具有清理 作用且会破散金属表面氧化物使得表面状态对焊接质量的影响很小，而材料厚 度对焊件的焊接性能影响较大，实验结果表明焊接材料的厚度越厚，焊接区域 的温升越小。张铱洪等 3 1 】对铜铝异种金属材料超声波焊接的焊接性能进行了实 验分析，得出了焊接区域理论温度，与实验所测得的温度值及其焊件的扫描电镜 5 第l 章绪论 ( s e m ) 图片进行综合分析，认为焊件连接是由于焊接材料的塑性流动、所施 加的焊接压力及界面摩擦升温综合作用的结果。另有人研究了金属导线与焊盘 的超声波金属点焊过程 3 2 , 3 3 】，并分析了a l a u 焊接接触界面在恒温下的变化情 况，结果表明a 1 a u 接触界面的热稳定性较好，认为焊件之所以连接是由于超 声波焊接过程中高频超声振动促使金属位错密度增加的结果。对超声波金属焊 接有限元仿真方面的研究有：d i n g 等 3 4 , 3 5 j 在综合考虑金属材料的应变速率和循 环硬化性质，对a u 线与焊盘的超声波金属点焊进行了二维和三维有限元仿真， 得出了焊件的应力场和应变场的分布结果图，由此得出了焊接区域和摩擦能量 对焊接性能的影响，结果表明焊件结合的最佳位置处于接口周围，因此他们认 为影响焊件性能的重要因素是摩擦能量；并对超声波金属焊接进行了非耦合热 结构的三维有限元仿真，得出了温度场分布图，结果表明超声波焊接过程焊件 的平均温度低于金属熔点值。 以上所介绍的国内研究近况还存在一些问题：张铱洪等虽然通过弹塑性理 论得出了焊接接触界面的理论温度值，但在计算过程中并没有将温度变化与摩 擦系数的关系考虑进去；d i n g 等所做的有限元仿真没有将超声波焊接过程中的 热机耦合作用考虑进去。可见国内对超声波金属焊接的研究有待进一步完善， 如：超声波焊机过程中的热机耦合的相互作用、高频超声振动对金属材料塑性 流的影响等。 1 2 2 国外研究现状 超声波金属焊接技术在国外得到了更为深入的探讨；另外，基于该技术低 温、低压等特点，尝试利用该技术在金属快速成型过程中埋入功能器件，如： 形状记忆合金、光学纤维等，并结合计算机数控铣削技术来制作智能金属零件 或材料。以下从超声波金属焊接实验和仿真的研究发展情况进行介绍。 ( 1 ) 超声波金属焊接实验研究进展 k o n g 等利用超声波金属滚焊设备对在铝合金基体中埋入智能材料制备金 属基智能复合材料进行了系列研究【3 州。通过实验分析获得了厚度为o 1 m m 的铝 合金3 0 0 3 与6 0 6 1 箔片的最佳焊接参数范围。通过分析焊接线性密度( 连接点与 焊件整体面积的比值) 、焊件撕裂力和显微组织观察来评定焊件质量，表明，在 超声波金属焊接过程中所产生的摩擦效应与塑性流动，促使铝合金箔片表面的 6 第l 章绪论 氧化膜碎裂，进而使得铝合金箔片的相互接触区域形成连接点；随着超声振幅 的增大，所滞留氧化膜被驱散，从而可获得更高焊接强度的焊件。为进一步了 解超声波焊接过程中铝合金箔片塑性流动，k o n g 等研究了在铝合金3 0 0 3 箔片 中埋入s i c 纤维，认为超声波金属焊接过程中，由于超声能量的存在将使得金 属材料发生超声软化现象，从而形成大量位错移动；且在焊接过程中所产生的 温升只有金属材料熔点的2 5 左右。k o n g 等利用超声波焊接方法在铝合金箔 片中埋入了形状记忆合金( s m a ) 和光学纤维纤维制备了金属基智能复合材料。 实验结果表明，温度敏感的s m a 和易碎的光学纤维没有出现明显的变形与损 坏，说明超声波金属焊接方法可用于制备金属基智能复合材料。d ev f i e s 等【3 7 j 使用红外线摄像测量了超声波焊接过程中铝合金箔片的温度变化过程，测量结 果表明焊接过程中焊件温升约为金属熔点的4 0 。g u n d u z 等【3 8 】研究了高温铝 锌超声焊接过程，实验结果表明高温加剧了焊接接口内金属原子的扩散，且在 焊接过程中金属材料出现了局部熔化现象。z h a n g 等【2 2 j 研究了超声波金属焊接 过程中3 0 0 3 铝合金箔片接触界面的摩擦效应，结果表明接触界面摩擦系数与温 度变化呈开口向下的抛物线关系。j e n g 等【3 9 】研究了不同超声波焊接参数对焊件 焊接质量的影响，实验结果表明，焊接过程产生的温升影响焊件的初始连接强 度，而焊接试样的表面状态对焊件的后期连接强度有较大影响。r a m 等1 4 u j 对异 种金属材料的超声波焊接进行了探讨，实验结果表明，铜合金、镍合金与3 0 0 3 铝合金均可实现较好连接，而不锈钢、黄铜与3 0 0 3 铝合金的焊接性较差，并认 为超声固接技术是焊接异种金属的有效方法。j a h n 等j 研究了下声极粗糙度和 超声波焊接能量对焊件连接强度的影响，得出焊件连接强度随着焊接能量升高 而增强，到一定限度后趋于平稳值。l i 等 4 2 3 3 】研究了上声极粗糙度对焊件连接 强度的影响，得出当上声极相比较光滑时，在超声振幅超过一定值后，焊极与 金属箔片的接触界面将产生滑动从而使得超声能量流失；而在焊极表面较粗糙 时可增加能量的传递效率，但这将引起空穴量增加，进而影响焊件的质量。因 此对焊极的选择具有一定的条件性，另外还研究了超声波焊接下纤维埋入铝合 金基体的材料流动情况与加工硬化情况，得出了在纤维周围，铝合金材料产生 剧烈的塑性流动并且基体金属材料发生了硬化。 ( 2 ) 有限元仿真研究 g a o 等【“ 4 5 】通过定义超声波焊接过程中试样接触界面的可变摩擦，对其进 行了有限元分析，指出了摩擦与压力这个两个共同影响因素对焊接区域应变场 7 第1 章绪论 的影响，所建立的二维有限元模型有助于研究焊接接口的应力集中和材料流动 等现象。d ev r i e s 等【3 7 1 推导出了超声波金属焊接的力学模型，并提出所建立的 模型可以得到超声波焊接过程中所产生剪应力，且该模型可以获得试样材料、 及其表面状态和焊接参数对焊件质量的影响变化情况。综合实验和模拟结果可 知焊件的连接强度随材料厚度的增加而减小；材料表面摩擦系数对焊件的质量 影响较大。y a d a v 等1 4 6 , 4 7 所建立的超声波金属焊接模型仅考虑法向静压力和高 频超声振动，获得了焊件的温度场分布情况，且所得温度与实验所测得温度相 同。d a u d 等【4 8 】结合实验和仿真的方法研究了高频超声振动对1 0 5 0 铝合金拉伸 和压缩性能的影响，结果表明高频超声振动减小了金属成形力。z h a n g 等【2 2 4 9 5 0 j 建立了三维热机耦合有限元模型，模拟了超声波焊接过程中的温度场与塑性场 得变化情况，但并没有将超声波金属焊接过程中的体积效应考虑进去，仿真结 果表明温升在一开始时升高较剧烈，随着焊接的进行温度趋于稳态值不再升高； 塑性场呈振荡分布且最大塑性应变发生在焊接区域中心。 1 3 本文研究背景及意义 智能材料或结构具有自我感知、自我诊断和自我管理的能力1 5 。例如，建 筑物和桥梁在地震中应用智能结构的自我增强能力来防止裂缝出现；自适应飞 机机翼能根据飞行状况来改变和调整自身的形状和表面特征等。埋入传感器或 者激励单元的智能结构因为能在故障检测、减小噪声、延迟振动和自修复等方 面具有广泛应用前景而引起世界各国的兴趣。当前我国大飞机项目正式启动， 智能材料或结构的成功研制势必在大飞机上有用武之地。如果能通过智能材料 或结构适时检测大飞机内部的温度、裂纹等参数，对提高飞机的飞行安全将有 重要意义。 与传统的电传感器相比，光纤布拉格光栅( f b g ) 传感器在传感网络应用 中有着较明显的优势。f b g 传感器除了具有普通光纤的优点外，还具备能耗小、 抗电磁干扰能力强、灵敏度高、传输距离远等优点，在现在的许多工程结构中， 埋入f b g 传感器所制备的智能结构得到了广泛的应用。其传感原理为当f b g 传感器周围的温度、应变或其它待测物理量发生变化时将导致它的周期或纤芯 折射率产生偏移，从而使得反射光信号的波长位移发生变化，通过监测这种变 化情况，即可获得待测物理量的转变情况。 8 第1 章绪论 当前智能复合材料的发展和制造技术主要集中在聚合物基的智能复合材料 上。虽然聚合物基智能复合材料制造成本低、重量轻、易于制造，但是与金属 相比应用的温度、强度低，并且易于降解【5 引。同时聚合物基复合材料不能回收 再利用并且在埋入单元周围有很高的残余应力等1 5 2 1 。尽管聚合物基智能复合材 料已经成为商业产品，但是市场上更迫切需要强度更高的金属基智能复合材料 来用于更恶劣的环境或满足更高的安全需要，比如机翼结构、飞机发动机、轮 船、汽车底盘等。 现有的对于金属基智能复合材料的研究主要是使用现有的常规制造方法： 大都基于粉末冶金、金属熔覆或者铸造技术【5 3 , 5 4 1 。但是，这些加工方法都有不足 之处，例如由于温度梯度形成残余应力积累、易造成光纤等埋入单元的失效断 裂等。如果在金属基复合材料制造中埋入易断裂和对温度敏感器件的话，由于 温度和残余应力的原因，传统制造方法很难完成。比如在金属中埋入形状记忆 合金纤维，传统加工方法的温度都超过它的分解温度而达不到形状记忆功能【5 5 。 同样传统加工的高压力也不适合埋入易断裂失效的普通光学纤维【5 酬。 本文之所以使用超声波焊接方法来进行金属基智能复合材料研制的探索性 研究，是因为超声波焊接速度快、能实现多种金属材料连接、加工温度低( 一 般是金属熔点的2 5 5 0 ) 。需要强调的是，当前世界上对于该方法的深入研究 主要集中在英国和美国的几所高校。到目前为止，国内尚未发现使用超声波金 属焊接埋入纤维或其他传感单元的研究文章和资料，国内的相关研究主要集中 在：超声冲击提高焊接接头的疲劳性能、塑料超声波焊接、金属薄带的超声点 焊等。国外的研究主要集中在铝合金材料，以及铝合金与其他金属材料( 比如 铜、钢、钛合金等) 的超声波焊接上，来研究吸波材料或者是增强材料导电性 等。对于超声波焊接下智能单元埋入主要集中在埋入形状记忆合金纤维、s i c 纤 维或者是u s b 功能器件，对于在金属材料中埋入f b g 传感器的研究才刚刚开始。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 2 0 0 8 年国家自然科学基金：金属基智能复合材料超声波焊接制造机理与方 法研究( 5 0 8 6 5 0 0 7 ) ； 9 第1 章绪论 江西省研究生创新专项资金资助：智能金属结构中埋入光纤传感器的计算 分析模型( y c 0 9 a 0 2 8 ) 。 1 4 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 第一章简要介绍了金属基智能结构的快速制造工艺， 属焊接的连接机制及研究发展情况。 ( 2 ) 第二章通过研究超声激励对铝合金压缩性能的影响， 需要的仿真参数。 重点阐述了超声波金 确定了超声波焊接所 ( 3 ) 第三章通过建立材料本构方程和焊接界面的摩擦模型。使用a b a q u s 有限 元软件模拟了超声波金属焊接过程，得出了在不同焊接参数下温度场变化 及塑性变化的过程。 ( 4 ) 第四章在第三章的仿真基础上，使用a b a q u s 软件模拟了光纤埋入6 0 6 1 铝基体的变化过程，通过仿真结果阐述了f b g 传感器埋入铝基体的可行性。 ( 5 ) 第五章通过大量的超声波焊接实验确立了优化的焊接参数，在优化的焊接 参数下埋入了光纤传感器。 ( 6 ) 第六章测试了镀镍保护后的f b g 传感器的温度传感性能，同时测试了埋入 铝基体后的温度传感性能，得出了一些比较有意义的结论。 图1 5 具体技术路线 1 0 第2 章超声激励对6 0 6 1 铝合金压缩性能的影响 第2 章超声激励对6 0 6 1 铝合金压缩性能的影响 2 1 概述 超声激励具有低能耗、能大幅度减少金属成形力等优点使得超声激励在金 属塑性加工中得到广泛的应用【5 7 - 5 8 】，超声波金属压缩性能实验示意图如图2 1 ， 需要在万能材料实验机上做部分改进。已经有研究者在轻金属压缩实验中叠加 低频激振力，并建立起低频振动应力叠加到静应力上的模型【5 9 1 ，结果表明轻金 属在低频振动下平均流变应力下降，但低频超声振动需要较好的隔振措施，噪 声污染也较大。 由于超声振动对金属塑性成形的影响存在复杂的机制。本章选用6 0 6 1 铝合 金。基于非线性混合硬化模型，使用a b a q u s 有限元软件隐式积分算法模拟在 不同界面接触摩擦条件下和不同超声振幅下，超声振动对铝合金压缩性能的影 响，进一步解释了在金属塑性加工过程中施加超声振动金属成形力下降的原因。 通过高频超声振动获得铝合金6 0 6 1 的应力应变曲线和摩擦系数变化，用 于后面的6 0 6 1 铝合金超声波焊接数值模拟中。 超声振 动方向 速度( v ) = 常数 压电传感蒜 试样 助推器 超声传导器 超声能量发生器 l 一设备基座 图2 1 超声波压缩性能实验示意图【5 9 】 第2 章超声激励对6 0 6 1 铝合金压缩性能的影响 2 2 单轴应力下材料模型的建立 2 2 1 二维主应力下屈服函数删 平面应力m i s e s 屈服函数为： = o 。一o j ，= ( 3 。to f ) 抛一o y ：告c c 。一i ，z + 。2 ：+ 。；，- 尼一。， 2 j 其中厂为屈服函数，为等效应力，吩为屈服应力，o 为应力偏张量，0 1 ， 0 2 为主应力。 o 2 。 碟畔 蝴泌 吒 父而 n 吩 i 啦区簟 、一， 图2 2 平面应力状态。fm i s e s 屈服平面，塑性应爻张量增量方向为垂直于屈服面切线方向 产0 时，可知屈服函数为： o ；- - 0 1 0 2 + o ；= g ：( 2 2 ) 可知函数式为椭圆，其屈服平面如图2 2 。 屈服准则为： 厂 o 时，即载荷持续增加，材料将产生塑性流动，塑性流动方向与塑性 应变张量增量相同且与主应力方向相关，其方向为垂直于屈服面上载荷点的切 线方向，如图2 2 。以函数形式表达如下： 彬：纸箬( 2 5 ) 弘 ( 2 6 ) 1 2 第2 章超声激励对6 0 6 1 铝合金压缩性能的影响 其中彬为塑性应变张量增量，仃为平面应力，觑为塑性乘子满足以下相容 性条件( k u h n - - t u c k e r 类型) f 0 ；d x 0 ；d x f 兰0 ( 2 7 ) 2 2 2 各向同向硬化删 大多金属材料在发生塑性变形时，伴随着硬化的发生，即要促使塑性应变 继续增加需加载更大的应力。 等效塑性应变累计函数为： p = i 勿= i p a t ( 2 8 ) 其中p 为等效塑性应变，多为等效塑性应变率 非线性各向同向硬化单轴应力应变曲线如图2 3 。可知在应力空间中所有 应力膨胀方向是一致的，与初始屈服面形状相同。仅考虑o 2 的情况下，当o 2 ：q ， 钐。葡_ 丐丽桃 怨缁i i 弓 入、7 图2 3 各向同向硬化及相应的单轴应力应变曲线 发生首次屈服，随即材料发生硬化，因满足相容性条件载荷点必须在屈服面上， 因此随着o 2 的进一步增大，屈服面发生膨胀如图2 3 所示。其屈服函数如下： f ( 6 ，p ) = a 。- - a ，( p ) = 0 ( 2 9 ) o ，( p ) = o y 0 + ，( p ) ( 2 1 0 ) 其中咖为初始屈服应力，俐为各向同向硬化函数，其函数形式有多种， 但最通用的为： d r ( p ) = b ( q - r ) d p ( 2 1 1 ) 其中b 、q 为材料参数，随着塑性应变增加单轴应力应变曲线趋于饱和， 可知，( 功为指数函数形式，其中，| ( 0 ) - 0 ，积分后砌) 函数为： r ( p ) = q ( 1 - e 却) ( 2 1 2 ) 材料参数q 是函数k p ) 的饱和值，即是随着硬化发生的最大应力值，其值 1 3 第2 章超声激励对6 0 6 1 铝合金压缩性能的影响 y g ( a y o + q ) 。材料参数b 决定了曲线的饱和比例，使用此各向同向硬化函数可预 测单轴应力情况下应力应变间的关系。 2 2 3 随动硬化【6 0 】 载荷单调增加的情况下，假设硬化形式为各向同向硬化都是合理的，但是 当反向加载时，实验表明很多情况下这种假设是不合理的。基于各向同向硬化 材料，示意图如图2 4 ，在塑性应变i 处，相应载荷点( 1 ) 处，载荷于此反向加 载，材料发生弹性回复至载荷点( 2 ) 处。在( 2 ) 处屈服面膨胀，随着载荷的继续增 大，材料发生塑性变形。如图2 4 ( b ) 表明各向同向硬化使弹性区域增大，反向 加载实验表明这种现象极少发生，而是弹性区域较小，这也称为包伸格效应，说 明材料发生了随动硬化。随动硬化反映的是屈服面的偏移而不是膨胀，如图2 5 。 穰确i 函 您竣 ，、 图2 4 各向同向硬化下反向加载曲线( a ) 屈服面( b ) 应力应变曲线 彻 图2 5 随动硬化( a ) 初始屈服面偏移lxi ( b ) 材料压缩过程中随着屈服面偏移的应力应变曲 线一包申格效应 图2 5 ( a ) 表明，当应力增加到屈服应力田，随着载荷的进一步增加，材料 发生塑性变形，屈服面偏移，当应力增加到载荷点( 1 ) 时，反向加载，材料发生 弹性回复至载荷点( 2 ) ，因为满足相容性条件，塑性流动过程中载荷点始终在屈 服面上；塑性应变张量增量的方向垂直于载荷点处屈服面切线方向。可知随动 1 4 第2 章超声激励对6 0 61 铝合金压缩性能的影响 硬化弹性区域比各向同向硬化弹性区域小。如图2 5 所示可知，随动硬化弹性 区域为2 q ，各向同向硬化弹性区域为2 ( 咿) 。 应力空间中屈服函数反映的是屈服面且与屈服面的位置相关，基于初始屈 服面，如图2 5 ，在载荷作用下材料发生塑性变形，屈服面发生偏移，偏移中心 距离为ixi 。可知应力与新的屈服面中心相关。忽略随动硬化的影响，屈服函 数的张量形式为： f - - o 。一o y = ( 詈o ：o ) “2 一o y ( 2 1 3 ) 二 考虑随动硬化对屈服函数的影响，屈服函数的张量形式为： f = ( 詈( a 一x ) ：(