機(jī)械振動(dòng)焊接是在振動(dòng)時(shí)效降低殘余應(yīng)力技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)焊接新技術(shù)。這種焊接新技術(shù), 不僅能提高焊接質(zhì)量, 改善焊接接頭金相組織, 提高接頭金屬的力學(xué)性能, 而且能省去焊后調(diào)整殘余應(yīng)力的工序, 從而縮短生產(chǎn)周期, 降低生產(chǎn)成本, 并將給焊接生產(chǎn)領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 機(jī)械振動(dòng)焊接可降低焊接殘余應(yīng)力;當(dāng)頻率、振幅(激振力)選取合適時(shí), 其降低效果更顯著。而機(jī)械振動(dòng)焊接降低殘余應(yīng)力的機(jī)理主要是由于機(jī)械振動(dòng)使焊縫及周圍的溫度梯度減小和振動(dòng)使晶粒細(xì)化、組織分布均勻所致。

根據(jù)以上分析可知, 振動(dòng)參數(shù)即激振力和頻率對(duì)焊接試板殘余應(yīng)力降低率有重大影響。只有激振力和頻率選取合適, 殘余應(yīng)力降低效果顯著。反之, 當(dāng)激振力和頻率選取不合適時(shí),殘余應(yīng)力降低不明顯。 機(jī)械振動(dòng)焊接時(shí), 由于振動(dòng)能量的輸入, 加速了熔池中原子的熱運(yùn)動(dòng), 相當(dāng)于加強(qiáng)了對(duì)熔池的攪拌作用, 此外振動(dòng)還改善熔池金屬與其周圍固態(tài)金屬的接觸, 加劇熔池與周圍金屬的熱遞 , 所以振動(dòng)有利于熔池散熱, 使焊縫周圍的溫度分布與未振動(dòng)焊接的溫度分布有較大改變, 即各部分的溫度梯度減小, 這是振動(dòng)焊接降低殘余應(yīng)力的主要原因。由于溫度梯度減小, 不均勻塑性變形減小, 與溫度梯度相關(guān)的、作為熱應(yīng)力的最終狀態(tài)的直接應(yīng)力就減小。此外,振動(dòng)還使晶核提前形成, 成長(zhǎng)中的枝晶破碎, 致使形核率和晶核數(shù)目增加, 從而達(dá)到晶粒細(xì)化, 組織分布均勻的目的, 這就消除了由于粗大晶粒聚集而引起的應(yīng)力集中, 降低了殘余應(yīng)力。

結(jié)晶過程中的晶核是由液態(tài)金屬中近程有序的原子集團(tuán)即晶胚形成的。這些集團(tuán)的原子時(shí)刻運(yùn)動(dòng)著, 它們不同瞬間分屬于不同的原子集團(tuán), 形成相起伏。每一溫度下出現(xiàn)的相起伏有一個(gè)極大值rmax(r 為晶胚的半徑), rmax的大小與溫度有關(guān), 溫度越低, rmax越大。根據(jù)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件可以判斷, 只有在過冷的液體中出現(xiàn)尺寸較大的相起伏才能形核。振動(dòng)焊接時(shí), 有利于熔池散熱, 使結(jié)晶時(shí)的溫度較正常焊接時(shí)低, 因而rmax較大, 有利于形核,即增大了形核率。 熔池中晶核形成之后, 就以新生的晶核為核心, 不斷向焊縫中成長(zhǎng), 當(dāng)晶體最易長(zhǎng)大方向與散熱最快方向一致時(shí), 最有利于晶粒長(zhǎng)大, 它可以一直長(zhǎng)到熔池中心, 形成粗大的柱狀晶體 。振動(dòng)焊接時(shí), 外加振動(dòng)使粗大的枝晶破碎, 易于細(xì)化晶粒, 使組織均勻, 消除由于粗大晶體聚集焊縫而引起的應(yīng)力集中。由上述分析可知, 振動(dòng)焊接可增大形核率, 阻止晶核長(zhǎng)大, 因而可以使接頭金屬晶粒細(xì)化, 組織分布均勻, 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)終止在晶界處, 不易于變形, 即使殘余應(yīng)力降低。而平均殘余應(yīng)力是金屬結(jié)晶組織的宏觀表現(xiàn), 它會(huì)隨振動(dòng)焊接后組織的改善而降低。