扩散焊与激光焊性能（俄亥俄州立大学JMP）
扩散焊与激光焊性能（俄亥俄州立大学JMP）本项目获得了国家科学基金项目（编号1853632）的资助。https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.050图1 板/板接触电阻（ECR）实验测量系统示意图，其中超声波超声传感器附着在底部电极上图2 AA6061板材和铜电极的整体几何形状，其中局部放大图为模型1/4曲面的网格划分情况，以及用于模拟计算的机械、热和电边界条件原文链接：
电阻点焊（RSW）是汽车和航空航天领域应用最广泛的金属连接方法之一。尽管其生产速度快和自动化程度高，但在加入某些类型的材料或者不同材料组合时，仍有其局限性，例如铝合金和铝合金/钢。最近以来，Shah和Liu开发了一种超声电阻焊（URW）方法，当电流通过RSW工件时，可以在垂直于板/板界面的方向上叠加超声振动。这种复合工艺在连接铝合金AA6061、相变诱导塑性（TRIP）钢以及异种金属AA6061/TRIP钢时具有一定的先进性。尤其是AA6061铝合金，其URW熔核尺寸较大，熔核中心出现等轴晶区。
尽管获得了理想的实验结果，但是由于存在多种与超声相关的非线性物理现象，很难直接用实验方法揭示其原理，因此尚未弄清楚超声对RSW作用过程的基本机制。在金属固相中，超声可以有效降低材料的变形流动应力，这被称为声软化效应。超声诱导的表面粗糙度降低现象也有报道。超声还能促使致密氧化层和表面污染物破裂，这是超声波焊接的物理驱动原理之一。在RSW过程中，这些表面效应可以直接改变接触电阻。另外，材料流动应力的减小可以增大接触面积，从而改变电流分布。最终，改变了电阻生热速率，影响到熔核的形成。在熔融金属中，超声会引起声流和空化效应。声流会引起熔池内流体动力流动，使得元素分布均匀化，并改变传热和材料电导率。在凝固过程中，空化泡的坍塌会使凝固枝晶断裂，枝晶断裂后被声流带走，并成为非均匀核。因此，超声促进了等轴晶的形成。超声对熔融金属的这些作用将影响RSW熔核的生长，并决定其最终形状和大小。为弄清楚URW工艺的基本原理，本研究从建模的角度考虑了固液两相中的多重超声效应。
传统点焊工艺的计算模型开发已经成熟，可以用于分析和预测熔核的几何形状。首先，建立了有限差分模型（FDM）来估计温度分布。1961年，Greenwood等人建立了第一个用于RSW分析的热模型。Gould等人建立了一维FDM模型，研究了电流和时间对RSW的影响。同样，Cho等人建立了一个二维耦合热电FDM模型来计算RSW过程中的温度和熔核生长。Nied等人建立了第一个电-热机械耦合有限元模型（FEM），并预测了不锈钢的温度分布、焊接残余应力和焊接熔核几何形状。Tsai等人采用类似方法研究了各种不锈钢和碳钢的RSW。Wei等人建模时考虑了质量传输和磁场强度，结果表明，熔核的生长和最终几何形状吻合很好。然而，并未考虑电极压力和表面条件的影响。Gupta等人针对低碳和高强度钢建立了一种完全耦合的电-热机械RSW模型，但该模型未考虑电极/板和板/板界面的热接触电阻。Khan等人建立了各种铝合金的RSW模型，这个模型考虑了电接触电阻、热接触电阻和内摩擦系数，并用作温度和压力的函数。美国通用汽车公司的研究人员建立了半耦合电-热机械模型，用于模拟铝合金RSW的非对称熔核生长。上述仿真大多数采用商业软件ABAQUS、JWRIAN、ANSYS和DEFORM进行，其中最常用的是ANSYS和ABAQUS。也有专门用于RSW的商业软件，例如SOPRAS和SIMUFACT。
尽管对RSW进行了大量的建模工作，但还没有人针对超声波对RSW过程作用进行建模。2022年7月11日，俄亥俄州立大学（哥伦布分校）焊接工程系Umair Shah等人撰写的Computational analysis of the ultrasonic effects on resistance spot welding process在Journal of Manufacturing Processes期刊上发表，通讯作者为刘勋（音译）。本文将对URW进行建模，并遵循以下两个步骤。首先，建立并验证常规RSW工艺的基本全耦合电-热机械模型。然后，通过分别修改表征多种超声非线性物理现象的不同热力学参数，将超声效应引入到RSW模型中。通过对比分析模拟结果与实验结果，揭示了URW过程中焊缝演化的主要机制。
图1 板/板接触电阻（ECR）实验测量系统示意图，其中超声波超声传感器附着在底部电极上
图2 AA6061板材和铜电极的整体几何形状，其中局部放大图为模型1/4曲面的网格划分情况，以及用于模拟计算的机械、热和电边界条件
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.050
本项目获得了国家科学基金项目（编号1853632）的资助。
结果与讨论：
图3 （a）实验测得的动态电阻曲线，主要是板/板接触电阻，还包含基体和熔融铝材的电阻；（b）高速成像照片，展示了在RSW过程中由超声振动造成的表面氧化层、污染物和凹凸不平现象
图4 实验测得的在（a）RSW和（b）URW过程中的电极压力和电流曲线；（c）Al流变应力对熔核尺寸和峰值温度的模拟影响结果
图5 （a）RSW工艺和（b）URW工艺熔化阶段的固液面示意图
结论：
采用了新建立的基准RSW模型对AA6061铝合金进行了熔核几何和热态验证。根据不同的物理现象，分别从5个不同的角度纳入超声效应，包括板/板ECR、声软化、铝液的热导率和电导率以及潜热。主要结论如下：
（1）与传统RSW工艺相比，在相同的电参数下，采用URW工艺焊接AA6061铝合金板材会产生更大的熔核尺寸。
（2）在叠加了超声振动的RSW过程中，板/板ECR和材料基体电阻整体上均减小了。
（3）URW过程中的电极压力小于RSW，这表明出现了声软化效应。
（4）URW熔核尺寸的增大是多种参数竞争的结果。数值模拟结果表明，接触电阻和材料变形应力的减小、以及熔核导热系数的增大均会导致熔核尺寸变小，而潜热的减小和熔核导热系数的增大则会导致熔核尺寸变大。
（5）通过适当调整上述参数，数值计算得到的URW熔核尺寸与实验结果相吻合。Al潜热的减少是模型熔核尺寸增加的主导因素，它作为促进熔化的数值指标，也能间接获取额外的超声能量。
