材料科学与工程学院彭必友教授团队在Invar36合金超声金属焊接领域取得研究进展

近日，材料科学与工程学院、材料与表面技术教育部重点实验室彭必友教授团队在高强低塑性薄板合金超声金属焊接工艺调控与微观组织演化机制方面取得研究进展。相关成果以“Preset horn-anvil gap as a position-triggered displacement constraint in ultrasonic metal welding of Invar 36: Loading-path design for high-strength, low-ductility sheet alloys”为题，发表在材料加工领域国际期刊《Journal of Materials Processing Technolog》（中科院一区，Top）。材料科学与工程学院为第一完成单位，周海洋博士为论文第一作者和通讯作者，2023级硕士研究生李宝源为第二作者，彭必友教授为共同通讯作者。

论文首页截图

高强度、低塑性薄板合金的超声金属焊接需要在焊接早期利用较高的工艺参数实现界面充分激活，同时又要避免后期焊头持续压入、界面过热和损伤累积，导致其超声焊接工艺窗口窄、焊接质量不稳定。针对这一问题，研究团队以0.53mm厚Invar36低膨胀合金薄板为模型体系，提出将焊头-砧板预设间隙Δh 作为“位置触发的位移约束”，使焊接过程在到达预设下死点后由法向力主导压入转入位移约束加载，并伴随法向静载荷降低，从而主动调控后期热-力加载路径。

论文图形摘要：高强低塑性薄板合金超声焊接中的早期界面激活、预设间隙加载路径调控及稳健接头窗口

研究表明，在固定振幅、法向载荷和焊接时间条件下，Δh 能够显著改变焊点塌陷、法向力、后期切向响应和热输入。随着Δh 减小，焊接状态呈现“大间隙加载不足-中等间隙稳健窗口-零间隙过加工”三个区间。其中，Δh=0.5-0.7mm构成稳健工艺窗口，Δh=0.7mm在本研究条件下在20件拉剪试样中未观察到界面断裂，并在较低塌陷和热需求下获得更均匀的局部力学响应。相反，零间隙条件虽具有更高功率输入和更大塌陷，但会维持后期再剪切，诱发焊缝分层、局部异质性和近界面损伤。

在微观组织演化方面，团队结合SEM、EBSD和纳米压痕分析，阐明了不同预设间隙下焊缝区和细晶过渡区的形成机制。EBSD结果显示，Δh=0.7mm时界面形成连续细晶焊缝区和细晶过渡区网络，焊缝区具有较高低角度晶界比例和较低Σ3孪晶含量，表明其经历了以回复辅助连续动态再结晶为主的组织重构；同时，其局部Taylor因子和纳米压痕响应更有利于焊缝区、过渡区和基体之间的应变协调传递。该结果说明，接头性能并不由结合面积或输入能量单独决定，而受“加载路径-焊缝结构-局部协调性”的耦合控制。

不同预设间隙下焊接界面区域 EBSD 表征结果，展示晶粒细化、焊缝区连续性及局部取向差演化

在此基础上，论文构建了加载路径与组织演化之间的理论分析框架。研究采用简化的“机器弹簧-接头塌陷”模型引入塌陷比、法向力保持率和法向力冲量等物理量，阐释法向静压力松弛效应，同时，论文结合Zener-Hollomon热-力分析模型，阐明中等间隙的优势并非简单追求最大热输入、最大塌陷或最高硬度，而是在足够界面重构和避免后期过加工之间实现平衡。

在过程监测与质量评价方面，研究团队进一步提出了基于紧凑过程指标的焊点质量筛选框架。针对终止功率在不同断裂模式间存在重叠、单独判据不足的问题，论文将终止功率、最终塌陷量、法向静压力下降量以及早期/后期切向力包络组合起来，构建表征成键-塌陷趋势的Ibond指标和表征后期切向-法向耦合异常的μlate指标。该框架在监测子集中取得90.0%的分类准确率，为气动超声金属焊接过程监测、质量筛选和后续闭环控制提供了可扩展思路。

基于终止功率、塌陷和力响应指标构建的界面失效风险筛选框架

本研究首次报道了Invar36同种薄板的直接超声金属焊接，并将焊头-砧板预设间隙确立为一种具有明确物理意义的加载路径变量。相关结果从过程监测、微观组织演化、理论建模和失效筛选等方面阐明了高强低塑性薄板合金超声焊接中的成键-损伤竞争机制，为该类材料的固相连接工艺设计和工业化稳定制造提供了新的研究基础。

作者简介：

周海洋，博士，讲师，硕士生导师。主要从事金属塑性成形机理、超声振动辅助金属加工、超声金属增材制造、金属基复合材料等领域研究。近年来主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题，四川省留学回国人员科技活动项目择优资助等多个纵向项目。

李宝源，材料科学与工程学院2023级硕士研究生，以第二作者发表SCI论文1篇，获“建行杯”四川省国际大学生创新大赛（2024）银奖。

团队介绍：

彭必友教授团队依托西华大学材料科学与工程学院和材料与表面技术教育部重点实验室，围绕先进材料加工、功能材料制备、增材制造与焊接连接等方向开展研究工作，注重基础研究、技术攻关与研究生创新能力培养相结合。近年来，团队承担国家自然科学基金、四川省科技计划项目、校企合作项目等多项科研任务，在材料加工与制造领域取得系列研究成果。