机械振动焊接是在振动时效降低残余应力技术基础上发展起来的一项焊接新技术。这种焊接新技术, 不仅能提高焊接质量, 改善焊接接头金相组织, 提高接头金属的力学性能, 而且能省去焊后调整残余应力的工序, 从而缩短生产周期, 降低生产成本, 并将给焊接生产领域带来巨大的经济效益。 机械振动焊接可降低焊接残余应力;当频率、振幅(激振力)选取合适时, 其降低效果更显著。而机械振动焊接降低残余应力的机理主要是由于机械振动使焊缝及周围的温度梯度减小和振动使晶粒细化、组织分布均匀所致。
根据以上分析可知, 振动参数即激振力和频率对焊接试板残余应力降低率有重大影响。只有激振力和频率选取合适, 残余应力降低效果显著。反之, 当激振力和频率选取不合适时,残余应力降低不明显。 机械振动焊接时, 由于振动能量的输入, 加速了熔池中原子的热运动, 相当于加强了对熔池的搅拌作用, 此外振动还改善熔池金属与其周围固态金属的接触, 加剧熔池与周围金属的热递 , 所以振动有利于熔池散热, 使焊缝周围的温度分布与未振动焊接的温度分布有较大改变, 即各部分的温度梯度减小, 这是振动焊接降低残余应力的主要原因。由于温度梯度减小, 不均匀塑性变形减小, 与温度梯度相关的、作为热应力的最终状态的直接应力就减小。此外,振动还使晶核提前形成, 成长中的枝晶破碎, 致使形核率和晶核数目增加, 从而达到晶粒细化, 组织分布均匀的目的, 这就消除了由于粗大晶粒聚集而引起的应力集中, 降低了残余应力。
结晶过程中的晶核是由液态金属中近程有序的原子集团即晶胚形成的。这些集团的原子时刻运动着, 它们不同瞬间分属于不同的原子集团, 形成相起伏。每一温度下出现的相起伏有一个极大值rmax(r 为晶胚的半径), rmax的大小与温度有关, 温度越低, rmax越大。根据金属结晶的热力学条件可以判断, 只有在过冷的液体中出现尺寸较大的相起伏才能形核。振动焊接时, 有利于熔池散热, 使结晶时的温度较正常焊接时低, 因而rmax较大, 有利于形核,即增大了形核率。 熔池中晶核形成之后, 就以新生的晶核为核心, 不断向焊缝中成长, 当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时, 最有利于晶粒长大, 它可以一直长到熔池中心, 形成粗大的柱状晶体 。振动焊接时, 外加振动使粗大的枝晶破碎, 易于细化晶粒, 使组织均匀, 消除由于粗大晶体聚集焊缝而引起的应力集中。由上述分析可知, 振动焊接可增大形核率, 阻止晶核长大, 因而可以使接头金属晶粒细化, 组织分布均匀, 位错运动终止在晶界处, 不易于变形, 即使残余应力降低。而平均残余应力是金属结晶组织的宏观表现, 它会随振动焊接后组织的改善而降低。
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