機械振動焊接是在振動時效降低殘余應力技術基礎上發(fā)展起來的一項焊接新技術。這種焊接新技術, 不僅能提高焊接質量, 改善焊接接頭金相組織, 提高接頭金屬的力學性能, 而且能省去焊后調整殘余應力的工序, 從而縮短生產(chǎn)周期, 降低生產(chǎn)成本, 并將給焊接生產(chǎn)領域帶來巨大的經(jīng)濟效益。 機械振動焊接可降低焊接殘余應力;當頻率、振幅(激振力)選取合適時, 其降低效果更顯著。而機械振動焊接降低殘余應力的機理主要是由于機械振動使焊縫及周圍的溫度梯度減小和振動使晶粒細化、組織分布均勻所致。

根據(jù)以上分析可知, 振動參數(shù)即激振力和頻率對焊接試板殘余應力降低率有重大影響。只有激振力和頻率選取合適, 殘余應力降低效果顯著。反之, 當激振力和頻率選取不合適時,殘余應力降低不明顯。 機械振動焊接時, 由于振動能量的輸入, 加速了熔池中原子的熱運動, 相當于加強了對熔池的攪拌作用, 此外振動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 , 所以振動有利于熔池散熱, 使焊縫周圍的溫度分布與未振動焊接的溫度分布有較大改變, 即各部分的溫度梯度減小, 這是振動焊接降低殘余應力的主要原因。由于溫度梯度減小, 不均勻塑性變形減小, 與溫度梯度相關的、作為熱應力的最終狀態(tài)的直接應力就減小。此外,振動還使晶核提前形成, 成長中的枝晶破碎, 致使形核率和晶核數(shù)目增加, 從而達到晶粒細化, 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力集中, 降低了殘余應力。

結晶過程中的晶核是由液態(tài)金屬中近程有序的原子集團即晶胚形成的。這些集團的原子時刻運動著, 它們不同瞬間分屬于不同的原子集團, 形成相起伏。每一溫度下出現(xiàn)的相起伏有一個極大值rmax(r 為晶胚的半徑), rmax的大小與溫度有關, 溫度越低, rmax越大。根據(jù)金屬結晶的熱力學條件可以判斷, 只有在過冷的液體中出現(xiàn)尺寸較大的相起伏才能形核。振動焊接時, 有利于熔池散熱, 使結晶時的溫度較正常焊接時低, 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, 當晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時, 最有利于晶粒長大, 它可以一直長到熔池中心, 形成粗大的柱狀晶體 。振動焊接時, 外加振動使粗大的枝晶破碎, 易于細化晶粒, 使組織均勻, 消除由于粗大晶體聚集焊縫而引起的應力集中。由上述分析可知, 振動焊接可增大形核率, 阻止晶核長大, 因而可以使接頭金屬晶粒細化, 組織分布均勻, 位錯運動終止在晶界處, 不易于變形, 即使殘余應力降低。而平均殘余應力是金屬結晶組織的宏觀表現(xiàn), 它會隨振動焊接后組織的改善而降低。