武传松等：超声对铝/镁异质金属FSW接头残余应力与微观组织演变的影响机制

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材料科学与工程学院武传松教授课题组与大阪大学接合科学研究所麻宁绪教授课题组密切合作，开展了“超声对铝/镁异质金属FSW接头残余应力与微观组织演变的影响机制”研究，取得了实质性新进展。近日，相关研究成果以“Unravelling the ultrasonic effect on residual stress and microstructure in dissimilar ultrasonic-assisted friction stir welding of Al/Mg alloys”为题，发表于机械工程领域国际顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture（简写IJMTM）。材料学院博士后Najib Ahmad Muhammad和大阪大学助理教授耿培皓为该文共同第一作者，武传松教授和麻宁绪教授为共同通讯作者，山东大学为第一完成单位。

焊缝残余应力的测试与比较(A);宏观模拟与微观表征(B);异质FSW/UVaFSW接头残余应力演变机制示意图(C)

        为满足经济社会发展对节能减排越来越严格的要求，交通运载器具制造业对轻量化的铝合金与镁合金复合结构有迫切需求。由于铝合金和镁合金在晶体结构、物理化学和力学性能等方面存在很大的差异，在铝/镁异质合金焊接结构件中容易产生残余应力，影响其服役性能。深入了解和阐明异种材料超声振动辅助搅拌摩擦焊接过程中的残余应力演变规律对多材料结构的性能评估至关重要。然而，目前对此仍然缺乏系统深入的研究。武传松教授与麻宁绪教授的课题组密切合作，开展了铝/镁异质合金的常规搅拌摩擦焊接（FSW）与超声振动辅助搅拌摩擦焊接（UVaFSW）对比工艺实验，通过实验测试、数值模拟和显微组织表征相结合，评估了铝/镁异种合金FSW和UVaFSW接头的残余应力分布特征，以阐明超声振动对其的作用机理。使用X射线衍射(XRD) cosα法测量焊缝表面残余应力，结果表明在UVaFSW焊缝中主要产生所期望的压应力。使用Contour Method法获得的应力图表明，在UVaFSW焊缝中的压应力区有所扩大和拉应力区有所缩小。铝/镁界面处热膨胀状态的失配，导致在镁侧和铝侧分别呈现拉应力和压应力状态。UVaFSW焊缝中的最大压应力比FSW焊缝中的最大压应力高约100 MPa。超声效应有效地减少了界面处金属间化合物(IMCs)层的厚度，改善了异质材料流动和混合程度，促进了晶粒再结晶行为。因此，UVaFSW焊缝中硬度分布更均匀，接头拉伸性能得到提升。然而，超声振动对几何必要位错密度和储存应变能的影响不显著，表明在所研究的条件下超声对微观残余应力的影响有限。超声振动通过改变结合界面两侧的温度分布、促进搅拌区内的材料混合、抑制IMCs层的厚度以及增强界面两侧的应力相互作用，有效地减轻了接头的残余拉应力和宏观变形。揭示了超声对铝/镁异质金属接头残余应力演变的影响机制，证明了UVaFSW新工艺可以起到抑制残余应力和改善微观组织的协同作用。研究结果为铝/镁异质合金UVaFSW工艺优化和接头组织与性能的调控提供了理论依据与技术支撑。
       IJMTM是中科院分区的一区TOP期刊，在全球137种机械工程学科SCI收录期刊中排名第三，影响因子10.331。IJMTM每期只发表4―5篇具有重要创新成果的研究论文。
       本项研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（52035005）、山东大学国际科研合作种子基金和山东大学博士后项目的资助。
        原文链接：Unravelling the ultrasonic effect on residual stress and microstructure in dissimilar ultrasonic-assisted friction stir welding of Al/Mg alloys
        文章来源：山东大学
        武传松，山东大学材料科学与工程学院教授/博士生导师。美国焊接学会会士（AWS Fellow），中国焊接学会常务理事兼计算机辅助焊接工程专业委员会主任、国际焊接学会C XII-E“焊接质量与安全”分委会主席，国际刊物《Science and Technology of Welding and Joining》编委，《Chinese Journal of Mechanical Engineering》编委会副主任，《焊接学报》、《China Welding》和《电焊机》编委。
       以“焊接物理、高效焊接过程数值模拟与检测控制”为研究方向，主持完成国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家科技支撑计划重点项目和国家863重点项目子课题、省部级重点项目以及国际合作课题三十余项，取得了国内外同行专家公认的突出成绩。在美国出版英文专著《Welding Thermal Processes and Weld Pool Behaviors》；1部中文专著入选国家原创图书出版工程；在国内外重要刊物发表学术论文320余篇（其中SCI收录198篇），研究结果被国际著名同行专家广为引用。获得国家教育部自然科学一等奖1项、二等奖2项、省部级科技进步奖二等奖2项、三等奖2项。获得英国材料、矿物和矿业学会(IOM3)颁发的“2015 STWJ Best Paper Prize（2015 STWJ最佳论文奖）”、《中国有色金属学报（英文版）》2014 年度优秀论文奖。指导的研究生获得国际TOP期刊Acta Materilia 2015年度学生论文奖（2015 Acta Student Awards）、“第四届上银优秀机械博士论文奖”、山东省优秀博士学位论文奖（2人篇）、山东省优秀硕士学位论文奖、中国焊接学会优秀论文奖等。