鋁銅異質材料的焊接對于電氣設備、運輸和化學工業的制造非常重要。而金屬間化合物層的厚度和分布一直是Al/Cu接頭質量控制的技術難題。近日，核裝備與核工程學院在Top期刊International Journal of Mechanical Sciences（IF：7.3）上發表學術論文《Mechanism of ultrasonic effects on thermal-stress field in Cu/Al-FSW process》。該工作首次模擬了超聲輔助Al/Cu攪拌摩擦焊的超聲場與焊接多能場耦合過程。通過數值模擬和宏微觀組織演化分析相結合，從焊接熱過程的變化和高溫高應變速率下的流變特性等方面闡明了超聲在Al/Cu攪拌摩擦焊過程中對金屬間化合物的抑制機理。揭示超聲優化接觸界面以及剪切層熱力狀態的機制。
圖1超聲場對Al/Cu攪拌摩擦焊塑性流動和傳質傳熱的影響機制關聯圖
該工作建立了鋁銅異質的聲場傳遞模型，采用聲應力功修正的本構方程與速度邊界條件。基于流體動力學和VOF計算鋁銅兩相分布，定量分析了超聲高頻振動帶來的兩相流動增益和互鎖強化的機械效應。結果表明，超聲能夠降低焊縫兩側鋁和銅之間的塑性差異。超聲降低了Al/Cu互擴散的能力，抑制了金屬間化合物的生成。聲軟化和減摩效應降低了接觸界面熱通量和峰值溫度。熱量和濃度梯度的降低削弱了金屬間化合物的原子擴散和生長速率。因此在超聲作用下，Al/Cu界面的金屬間化合物層厚減少了約30.5%，化合物分布更均勻。
該論文以煙臺大學為第一單位，核學院青年教師趙文禎為第一作者，核學院何歡副教授、中南大學付遨為論文通訊作者，相關工作得到了國家自然科學基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109101
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108615
來稿時間：5月29日 審核：劉希斌 責任編輯：安興爽
