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超声波焊接制备铝基智能复合材料技术研究

金属基智能复合材料具有自我感知、自我诊断和自我管理能力,相比聚合物基智能复合材料,具有更高强度,适合在高温、腐蚀性及恶劣环境中使用,可满足更高安全需要等优点。本文使用超声波金属焊接快速成型方法埋入光纤布拉格光栅(FBG)传感器至6061铝管基体中来制造金属基智能复合材料。对超声波金属焊接、光纤传感器埋入6061铝基体进行了理论分析和有限元仿真,并对FBG传感器埋入铝基体的组织性能和传感性能实验结果进行了可行性研究。首先,FBG传感器可埋入金属基体的两个关键机制为超声波金属焊接的表面效应和体积效应。表面效应描述的是相互接触界面的摩擦;而体积效应发生在整个金属成形过程中,对金属基体内应力和塑性变形有较显著影响。基于这两个关键机制建立了材料模型和摩擦模型,并依托所建立的计算分析模型实现了超声波金属焊接的热-机耦合有限元分析,结果表明在铝箔片/超声焊极界面处铝合金具有最高温度和最大塑性变形,且最高温度低于熔点温度,在焊接压力为175MPa、超声振幅为8.4μm、焊接时间为60ms的情况下,最高温度为357.466℃,随着焊接压力持续增加会出现粘焊现象。在此基础上进行了光纤传感器埋入铝基体的有限元分析,表明FBG传感器可埋入铝基体而不至破坏失效。其次,论文通过实验方法优化了光纤传感器埋入铝基体的焊接参数,优化参数为:超声振幅35gm、焊接时间230ms、焊接气压0.5MPa、超声焊极选用15×15mm的正方形沙磨面。进一步加深了对超声波金属焊接的理解:超声波金属焊接后,基体材料的硬度得到了提高,特别在光纤周围;焊件连接强度随超声能量和超声时间的增大而线性增大最后趋于稳定;焊接后基体材料的晶粒尺寸几乎不变,但晶粒取向发生了变化,使组织各向同性增强。最后,论文考虑到FBG传感器埋入金属基体中极易破坏失效,因此首先对FBG传感器进行了金属化保护,并使用优化的焊接参数成功埋入了FBG传感器。获得了具备较好温度传感性能的金属基智能复合材料,说明超声波金属焊接制备金属基智能复合材料是切实可行的

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