铝铜异质材料的焊接对于电气设备、运输和化学工业的制造非常重要。而金属间化合物层的厚度和分布一直是Al/Cu接头质量控制的技术难题。近日，核装备与核工程学院在Top期刊International Journal of Mechanical Sciences（IF：7.3）上发表学术论文《Mechanism of ultrasonic effects on thermal-stress field in Cu/Al-FSW process》。该工作首次模拟了超声辅助Al/Cu搅拌摩擦焊的超声场与焊接多能场耦合过程。通过数值模拟和宏微观组织演化分析相结合，从焊接热过程的变化和高温高应变速率下的流变特性等方面阐明了超声在Al/Cu搅拌摩擦焊过程中对金属间化合物的抑制机理。揭示超声优化接触界面以及剪切层热力状态的机制。
图1超声场对Al/Cu搅拌摩擦焊塑性流动和传质传热的影响机制关联图
该工作建立了铝铜异质的声场传递模型，采用声应力功修正的本构方程与速度边界条件。基于流体动力学和VOF计算铝铜两相分布，定量分析了超声高频振动带来的两相流动增益和互锁强化的机械效应。结果表明，超声能够降低焊缝两侧铝和铜之间的塑性差异。超声降低了Al/Cu互扩散的能力，抑制了金属间化合物的生成。声软化和减摩效应降低了接触界面热通量和峰值温度。热量和浓度梯度的降低削弱了金属间化合物的原子扩散和生长速率。因此在超声作用下，Al/Cu界面的金属间化合物层厚减少了约30.5%，化合物分布更均匀。
该论文以烟台大学为第一单位，核学院青年教师赵文祯为第一作者，核学院何欢副教授、中南大学付遨为论文通讯作者，相关工作得到了国家自然科学基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109101
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108615
