为了进一步探明超声能对UAFSW焊缝成型的影响机理，本文采用数值模拟与试验验证相结合的方法，以1.8mm厚2524-T3飞机蒙皮铝合金为母材，通过分析同等工艺条件下UAFSW与FSW焊缝成型对比，来揭示超声能对焊缝成型的影响，为研发大飞机蒙皮长程UAFSW焊接关键工艺技术指明方向。
1 UAFSW过程的流场数值模拟 1.1 UAFSW过程搅拌头与焊件接触几何模型 UAFSW的基本原理是：在FSW过程中，给搅拌头添加一个纵向超声频振动，使搅拌头在高速旋转和焊接进给的同时，做沿焊缝纵深方向的超声频振动，将超声能导入整个焊接区。其焊接过程主要包括搅拌头旋入、搅拌头原地旋转预热、稳定焊接进给、结束拔起4个阶段。其中，对焊缝成型及质量起决定性作用的是稳定焊接进给阶段。为了简化和聚焦研究问题，直接针对UAFSW稳定焊接过程来进行理论建模与数值模拟。
UAFSW稳定焊接过程建立的搅拌头与焊件接触几何模型如图 1所示。搅拌头轴肩为内凹面，轴肩直径为6mm，搅拌针长度约为1.7mm，搅拌针轴线与竖直方向保持2.5°的工艺倾角。焊件厚度为1.8mm，长度和宽度均为50mm，搅拌针根径和端面直径分别为3mm和2mm。
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| 图 1 搅拌头与焊件接触几何模型 Fig. 1 Geometric model of contact betweenmixing head and weldment |
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1.2 材料属性与流场计算 焊件材料选择以2524-T3铝合金为代表的铝铜系合金，物性参数包括屈服强度、黏度系数、摩擦系数等。因在实际工况中焊接区金属的流转迁移行为与黏度极大的流体更为类似，为了与实际工况更接近，采用GAMBIT软件进行建模，计算流体力学软件FLUNT来模拟焊接过程，并设定以下基本假设：①将在FSW与UAFSW过程中焊接区发生迁移流转形成焊缝的金属视为具有一定黏度系数的不可压缩均质金属流体，搅拌头视为刚体；②塑形流动金属遵循流体运动的3个基本守恒定律：能量守恒定律、质量守恒定理、动量守恒定律。所建模型的特点是：先建立温度场模型(同时考虑摩擦产热和塑性变形产热)，以温度场的计算结果来作为加载流场模型计算的输入条件，进行流场模拟。超声能本质是一种周期性机械振动，因此，以质点振幅位移的方式将超声能引入有限元方程(同时考虑超声对摩擦系数的影响)来计算产热和温度。而黏度是影响流体流动的最重要参数之一。UAFSW过程中，焊接区金属视为黏塑性非牛顿流体，其黏度是温度和应变速率的函数。通过推导超声能导入对温度和应变速率的影响，推导出UAFSW时焊接区材料随超声振动的黏度方程，加载流场模型进行计算。具体推导过程参见文献[17-18]。
1.3 数值模拟结果 在笔者课题组前期的数值模拟研究中，马慧坤[17]得出了FSW与UAFSW整体工艺过程金属流动迹线图，如图 2所示。图中：a1、b1和a2、b2分别代表仿真结果中FSW焊缝和UAFSW焊缝前进侧的不同区域。
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| 图 2 FSW与UAFSW过程整体流动迹线图对比[17] Fig. 2 Comparison of overall flow trace between FSW and UAFSW processes[17] |
| 图选项 |
观察图 2可以发现，虽然在FSW过程中存在上下2个独立流场，但焊核金属整体呈现水平绕流方式，然而，UAFSW焊核金属则在超声能作用下形成了独特的倾斜绕流方式，倾斜起始点和终点均位于前进侧底部边界，在返回侧轴肩区域达到倾斜最大高度，使上下2个流场有产生交汇的可能，且焊缝横截面流变区域面积明显增大。说明超声能导入改变了焊核区金属的整体绕流方式，使水平绕流演变成倾斜绕流方式，且上下2个流场产生交汇，有形成统一流场的趋势。为了进一步分析UAFSW过程中材料的流动情况及运动轨迹，对一个超声振动周期(频率为20kHz)的2个特征点(5×10-6s和2×10-4s)时刻的材料瞬时流动矢量进行了分析，结果如图 3和图 4所示。
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| 图 3 5×10-6s时刻搅拌头表面材料瞬时流动矢量对比 Fig. 3 Comparison of instantaneous flow vector of surfacematerial of mixing head at 5×10-6s |
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| 图 4 2×10-4s时刻搅拌头表面材料瞬时流动矢量对比 Fig. 4 Comparison of instantaneous flow vector of surface material of mixing head at 2×10-4s |
| 图选项 |
选择5×10-6 s时刻，取其代表稳定过程振动周期的初始阶段。观察图 3发现，FSW焊接区金属最高流速处于搅拌头轴肩外边缘区域，达到1.29×10-1m/s；最低流速则处于前进侧搅拌针沿焊深方向的壁部区域，流速仅为6.14×10-6m/s。UAFSW焊接区金属最高流速也处于搅拌头轴肩外沿区域，达到1.29×10-1m/s，与FSW基本持平；但是，UAFSW最低流速为4.51×10-5m/s, 与FSW相比，提高近一个数量级，而且其最低流速并不是出现在前进侧搅拌针壁部区域，而是出现在倾斜向上绕流途中。
选择2×10-4 s时刻，取其代表稳定过程的充分流动阶段。观察图 4发现，此时FSW最高流速出现在轴肩边缘区域，达到3.51×10-1m/s；其最低流速仍然出现在焊缝前进侧沿焊深方向的搅拌针壁部区域，为2.16×10-6m/s。导入超声能后，UAFSW最高流速达到了3.46×10-1m/s, 与FSW持平，也出现在轴肩边缘区域；但UAFSW最低流速为0.49×10-5m/s, 比FSW最低流速高出近一个数量级，且也并非在前进侧搅拌针壁部区域，而是出现在底部金属倾斜向上绕流途中。此外，分析焊缝表面宽度尺寸发现，FSW焊缝宽度略小于轴肩尺寸，分析认为是工艺倾角存在所致；导入超声能后，轴肩的上下超声频运动导致UAFSW焊缝表面宽度略小于FSW焊缝。
根据上述分析，发现导入超声后最明显的差异是：UAFSW焊缝金属的最低流速提高了近一个数量级，且最低流速所在区域从前进侧搅拌针壁部区域转移到底部金属倾斜向上绕流途中。大量试验结果表明，焊缝缺陷主要出现在最低流速区域。这也正好解释了FSW焊缝缺陷多出现于前进侧搅拌针侧壁的上部和下部，而UAFSW在此区域缺陷极其少见。为了进一步分析UAFSW焊接区金属的流动状态，分析了在3×10-4s时刻搅拌头前后材料的瞬时流动矢量，结果如图 5所示。
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| 图 5 3×10-4s时刻UAFSW搅拌头前后材料瞬时流动矢量 Fig. 5 Material instantaneous flow vector distribution before and behind UAFSW tool at 3×10-4s |
| 图选项 |
观察图 5发现，在UAFSW稳定过程的流场中，焊缝前进侧存在上下部2个流场，在超声能作用下，下部流场沿搅拌针壁面，向上倾斜绕流，实现了上下流场的有序交汇与衔接，形成了一个统一的整体流场。
2 UAFSW焊缝成型流场验证试验 为了验证流场仿真分析结果方向是否正确，设计了2种类型的验证试验。①第1类验证试验采用叠焊的方式, 即采用厚度为0.1mm的铜箔分别贴合在1.0mm厚度的焊件表面，位置分别在焊缝前进侧、返回侧及焊缝中间，如图 6所示。上部用厚度为1.0mm的铝板压紧，在FSW成型良好的工艺窗口内焊接并在中部导入超声能，对所得FSW与UAFSW焊缝横截面进行对比。②第2类验证试验是采取工艺窗口边缘和外部的试验参数，即FSW成型有缺陷的情况下导入超声能，对FSW与UAFSW焊缝横截面成型进行对比。试验均采用2mm厚度的2524-T3铝合金，搅拌头转速均为1200r/min，焊速为100mm/min(参考值)，搅拌头压深为1.7mm，工艺倾角为2.5°。图 7和图 8为第1类验证试验结果, 图 9为第2类验证试验结果。
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| 图 6 表面贴铜箔的焊件 Fig. 6 Weldment with copper foil on the surface |
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| 图 7 FSW焊缝横截面金相图 Fig. 7 FSW weld cross-section metallographic |
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| 图 8 UAFSW焊缝横截面金相图 Fig. 8 UAFSW weld cross-section metallographic |
| 图选项 |
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| 图 9 工艺窗口外FSW焊缝与UAFSW焊缝成型对比 Fig. 9 Comparison of weld formation outside processwindow between FSW and UAFSW |
| 图选项 |
观察图 7中FSW焊缝横截面整体金相可知，在前进侧下部区域有明显的独立流动区域，铜箔分布比较散乱，说明在此处流动金属形成了一个独立的流场；在焊缝中部几乎看不到大块铜箔，且a1和c1表明金属向下垂直的流动非常明显。
观察图 8中UAFSW焊缝横截面整体金相可知，在前进侧下部的金属基本是随搅拌针的旋转做有序的倾斜运动，流动较为充分，几乎看不到明显的迹线。对比FSW与UAFSW焊缝前进侧局部放大金相A1和B1区域, 可见在FSW前进侧A1处有大块铜箔分布，而UAFSW前进侧B1仅有少量大块铜箔，其余铜箔均随搅拌头搅动到了焊核区内。在焊缝中部，FSW焊缝中心区域金属流动迹线c1几乎垂直向上，而UAFSW此处则跨越了焊核中部，至返回侧形成了c2流动迹线，形成了基本完整的流动循环。这与1.3节仿真分析结果基本吻合。
观察图 9可知，在工艺窗口外，由于压深不够，焊速加快，在FSW焊缝前进侧搅拌针壁部上方出现孔洞。而在同等工艺条件下得到的UAFSW焊缝，孔洞已经消失，但是自下而上的流动金属痕迹依然可见。说明导入超声能后，下部金属向上流动填补了孔洞，因此缺陷消失。此结果印证了仿真分析结果。
3 讨论与分析 根据第2节理论分析、数值模拟、验证试验结果，对于FSW，其焊缝成型过程为：当高速旋转的搅拌头旋入焊件，完成预热后，进入稳定焊接阶段，开始焊接进给运动，由于工艺倾角的存在，焊缝区存在2个独立的流场，即轴肩下部的上部流场和搅拌针底端的下部流场。由于工艺倾角一般在3°以内，因此焊缝整体呈现水平绕流方式，焊接区金属随着搅拌头的不断进给而实现迁移，不断补充前位，最终形成焊缝。导入超声能后，UAFSW焊缝成型的过程则在超声能作用下发生了明显的演变：原本水平绕流的金属在超声振动下下行，遇到垫板后向上倾斜绕流，使整体绕流方式由水平绕流演变成了倾斜绕流方式，并且使最低流速提高一个数量级，使上下2个独立流场发生了交汇，形成一个整体流场。因此，FSW焊缝中最容易出现缺陷的前进侧搅拌针壁部区域，在UAFSW焊缝中发生了转移和分散。这正是导入超声能后，焊缝缺陷率大幅降低的原因。为了进一步证实上述分析，在进行2024铝合金系列工艺试验时，特别对比了在FSW焊缝出现上部流场不畅和下部流场孔洞时导入超声能后的表现，结果如图 10所示。表明，在同等工艺条件下，导入超声能，焊缝缺陷得到明显改善。
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| 图 10 同等条件下FSW与UAFSW焊缝横截面金相对比 Fig. 10 Comparison of metallographic weld cross-section between FSW and UAFSW under thesame process conditions |
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观察图 10(a)发现，当工艺参数处于FSW工艺窗口边缘时，FSW焊缝前进侧搅拌针壁上部流场不畅，出现“掐颈”现象。导入50%超声能后，UAFSW焊缝前进侧上部流场的“掐颈”现象消失，且补充的金属是自下而上流动而来的痕迹明显。因此，与FSW焊缝下部“略鼓”相比，UAFSW焊缝下部成型更加“圆润”。说明超声能导入，焊缝整体形成了倾斜绕流的判断是正确的，对前进侧上部流场的改善明显。观察图 10(b)发现，当工艺参数处于FSW工艺窗口外时，FSW焊缝前进侧搅拌针壁下部出现“孔洞”现象。其原因是下部金属流速过低，当前部金属随搅拌针转动迁移后，后部金属无法及时流动到位导致孔洞。导入超声能后，UAFSW焊缝前进侧下部孔洞的尺寸明显减少。说明超声能导入后，下部流场的最低流速大幅提高，到达更前一点的位置，使焊缝成型完整度明显增强，因此孔洞尺寸减少。
4 结论 通过理论分析、数值模拟和设计验证对比焊接试验，研究超声能对UAFSW焊缝成型的影响机理，得到以下结论：
1) 相比于FSW焊核金属整体呈现水平绕流方式，在超声能作用下，UAFSW焊核金属形成了独特的倾斜绕流方式，倾斜起始点位于前进侧底部边界，在返回侧轴肩区域达到倾斜最大高度，使上下2个独立流场产生交汇，形成一个整体流场。
2) 超声能导入后，使焊缝区金属最低流速提高了近一个数量级，且使最易出现缺陷的前进侧搅拌针壁部区域，在UAFSW焊缝中发生了分散和转移，因此焊缝缺陷率大幅降低。
3) 当参数处于FSW工艺窗口边缘和外部，上下2个流场是出现焊缝缺陷率最高的部位。导入超声能后，不仅能使上部流场和下部流场的最低流速大幅提高，使焊缝成型完整度明显增强，缺陷率明显降低。
综上所述，对于1.8mm厚度的2524-T3铝合金飞机蒙皮的长程焊接，在大幅降低缺陷率，提高焊缝综合质量，UAFSW具有更深广的潜力。
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