超声辅助铝合金搅拌摩擦加工工艺研究获奖科研报告

超声辅助铝合金搅拌摩擦加工工艺研究获奖科研报告

【摘

要】近年来由于轻量化的发展趋势，铸造铝合金越来越多的应用于汽车行业、航空航天、军事和民用工业等领域，搅拌摩擦加工在铝合金加工方面有其独特优势，进而搅拌摩擦加工（FSP）也多用于改善这些合金性能的工艺。

通过观察搅拌摩擦加工合金前后对比，加工后的强度、延展性和可加工性是高于铸造合金的。文章对铸铝101合金薄板进行了搅拌摩擦加工和超声辅助搅拌摩擦加工实验，通过一系列的针对实验得出了部分加工工艺参数的较佳应用范围。

1.课题的主要内容

本课题（超声辅助铝合金搅拌摩擦加工工艺研究）的主要研究方向：

（1）超声辅助铝合金搅拌加工实验方法的探索与改进;

（2）探究超声辅助铝合金搅拌摩擦加工的最佳的的工艺参数;

（3）超声在超声辅助铝合金搅拌加工工艺中的机理作用分析探索。

本次实验应用航空薄板材料为铸铝101，又称ZAlSi7Mg合金。我们可以从表2.1中看出铸铝101的组成成分中的化学成分含量：

2.实验仪器设备与工具

搅拌摩擦加工装置由搅拌摩擦加工装置和超声发生装置组成，超声振动系统模块主要由超声波电源、超声搅拌加工头、超声换能器、变幅杆、碳刷、滑电环、变幅杆组成。如果加工过程中，开启超声波电源，即为超声辅助搅拌摩擦加工（UAFSP）;将超声波电源关闭，即搅拌摩擦加工（FSP）。

压板、钢条、压板和压紧螺栓组成夹具，规格为6mm*4mm*5mm搅拌头，以及超声波发生器。光学显微镜，HVS-50型数显维氏硬度计。

3.实验方法及工艺过程

3.1搅拌摩擦加工实验过程

清理工作台和工件表面，去除铝板边缘的毛刺，以避免造成高低不平影响加工区的质量。然后，把被加工工件利用压板夹持紧，保证工件接触处紧密平直，确保被加工工件的在加工过程中的平行性。调整搅拌头的位置，加工前必须设置好位置再使用，以确保搅拌头的沿直线运动并直接接触工件表面，同时调整轴肩的压深位置。最后，当压深位置调整合适后，这样加工时滚轮能够起到有效的压紧作用，同时冷却装置可以同时调整到合适的冷却强度。

加工时，启动主轴电机，调整好搅拌头的位子，然后输入预设的加工转速和进给速度，然后连接超声波电源，检查搅拌头处是否有超声振动，当超声振动和转速稳定时，通过伺服电机驱动搅拌头从加工表面光滑工件的结合处插入，位移传感器使搅拌头到预定深度，这个时候超声谐振频率会发生一定的变动，在插入深度穩定后需要做适当的频率调整，达到振动的谐振状态，移动工作台，按预先设定好的加工速度和转速进行加工，在加工的同时搅拌头与金属工件高速摩擦产生巨大的热，当热量达到一定值时，材料有可能处于半固态加工，加工的的同时轴肩压紧工件材料随着搅拌头的前进，前方的金属由于搅拌头的高速转动移到金属后方，而搅拌头前进后方留下的空缺不断地被填补，这样的过程周而复始的进行就是搅拌摩擦加工过程，实验结束后，应尽快把搅拌针拔起，防止金属工件冷却后固定住搅拌针，关闭超声电源，关闭程序，将实验工件拿到安全位置，这样，搅拌摩擦加工实验过程就完成了。

3.2金相观察与硬度测试

把焊接完的产品进行制备试样把制备好的试样放在光学显微镜和扫描电子显微镜下在不同的放大倍数下观察金相组织的特点。随后把搅拌摩擦加工的试样在HVS-50数显维式硬度计进行硬度测试对比试验。

4.实验结果分析

在搅拌头转速为2000rpm加工速度为5mm/min时的铸铝合金薄板材可达到半固态，而在半固态条件下超声的声流作用可以促进材料的流动，同时可以产生声空化效应，当声波通过液体时，液体各处的声压会发生周期性的变化，相应地，液体中的微泡核也会随超声频率发生周期性的振荡。

我们可以很好的分析对比在相同的搅拌头转数（2000rpm）的情况下加工速度为5mm/min、20mm/min、50mm/min的晶粒大小的差别，明显看出，拌头转速为2000rpm加工速度为5mm/min工件的金相组织中晶粒更加细小、组织更均匀，这也是因为超声空化效应和声流效应的作用。

分析可得空化和声流的机械力使晶粒（枝晶等）破碎引起“形核增殖”[20];空化高压造成熔体的瞬时局部过冷，减小临界晶核半径，从而提高形核率，这称之为“动态成核”，其主要表现为形核率增加和晶粒破碎。超声空化作用可击碎初生枝晶，在声流和空化作用的搅拌下，又使其弥散地分布于加工区区，同时抑制树枝晶成长，从而得到细小、均匀的等轴晶粒。在声空化效应的作用下，加工过程中己结晶长大的晶粒被急剧的冲击波打碎，抑制了晶粒的长大，使晶粒得到细化的同时，晶体也得到了均匀弥散。

对于扫描电子显微镜来说，更能够显而易见的观察出在相同的搅拌头转数（2000rpm）的情况下加工速度为5mm/min、20mm/min、50mm/min的晶粒之间的差别，明显能看出经过FSP加工得转数和加工速度为2000rpm/5mm/min试样的晶粒更为细小，而晶粒最大的为转数和加工速度为2000rpm/20mm/min的试样。这也能够与电子显微镜下相同搅拌头转速不同加工速度下晶粒的大小做了很好的吻合。在数显维式硬度计的测试实验中如下表2.12：

2.12维氏硬度实验测量平均值HV

5.结论

在搅拌摩擦加工中，若在一定的加工参数下铸铝合金薄板可达到半固态，而在半固态条件下超声的声流作用可以促进材料的流动，同时可以产生声空化效应，从而可细