金属箔材超声波增材制造具有成形温度低、变形小、速度快、不产生污染等优点,可将多种金属箔材进行连接,还可将传感器、合金纤维等对温度敏感的低熔点材料或电子器件嵌入其中,被广泛应用于智能结构与材料的制造。在金属箔材超声连续固结过程中,需要解决的关键问题是如何实现连续有效固结,这对大功率、复合式压电超声固结振动系统提出了需求。传统的超声波塑料焊接、超声金属焊接,换能器功率不足,焊接方式单一,不能满足金属箔材超声连续固结的要求。本课题以金属箔材超声连续固结为目标,结合压电超声固结振动谐振原理、结构优化设计方法,采用运动学建模分析、有限元仿真分析、实验分析等方法,通过系统探究超声振幅、压力、温度等关键参数与界面固结性能的联系,揭示金属箔材界面固结机理。具体研究内容如下:首先,提出纵向振动和纵-扭复合振动两种模式的超声固结方法,并设计具体的钛/铝双金属多层复合型材推挽式压电超声固结纵向谐振系统和纵-扭复合固结振动系统,进行实验验证和理论分析。对两种振动系统进行有限元模态分析和结构参数优化研究,仿真分析得知,推挽变幅工具头固结盘处的直径及宽度、变幅工具头大端直径及宽度、变幅工具头支撑处直径及宽度对纵振频率有影响,并得出相应的影响曲线;纵-扭复合变幅杆的结构参数中,小端圆柱直径及长度、大端圆锥内径及长度、大端圆锥扇形角度会直接影响振动频率。制作样机进行测试,由实验结果证明,两种固结振动系统均能够满足金属箔材固结对振幅的要求。其次,基于四端网络模型,建立推挽式压电超声固结振动系统动力学模型。结合复合杆件等效四端网络传输矩阵,完成固结振动系统等效物理参数的计算;基于等效电路原理,建立压电换能器和固结工具头的四端级联网络,完成带变幅杆的压电换能器和工具头受力分析;将压电换能器抽象成质量—刚度—阻尼系统,建立固结振动系统四自由度模型,基于MATLAB/Simulink,采用State-Space模块进行建模,完成换能器和固结振动系统的位移、速度、加速度分析;通过拉普拉斯变换获得固结振动系统动力学模型传递函数,利用根轨迹法和频率响应法对系统稳定性进行分析。仿真结果表明,固结振动系统的输出振幅能够满足金属箔材固结要求。再次,基于热微分方程,建立钛/铝双金属多层复合型材超声固结温度场有限元模型。结合傅里叶热传递理论和能量守恒定理,建立热传递问题的控制方程;基于固结工具头与金属箔材之间的二维摩擦接触模型,完成界面间由高速摩擦所产生的摩擦功和由材料塑性变形所产生的变形热计算。仿真和实验结果表明:固结区域最高温度值相一致;固结压力对固结界面的剥离强度有较大的影响,振子振幅的影响相对平缓,温度有积极的影响;选择静压法中的维氏硬度测试方法测量固结界面的表面硬度,其随振幅、固结压力的增加而增加。最后,从宏观角度分析了压电固结振动系统物质传递与能量转化原理,提出一种单循环金属箔固结界面能量输入定量化求解方法;用EDS观察和研究固结界面反应层的厚度以及是否产生其它反应物,从微观角度揭示了金属箔超声固结过程,揭示出钛/铝箔超声固结机理。本课题设计的钛/铝双金属多层复合型材超声连续固结实验平台,采用推挽式双换能器振动系统和纵-扭复合式振动系统,纵向和纵-扭结构振型正确,振幅输出稳定,固结可靠,能够实现铝/铝、钛/铝金属箔材的连接,具有宽广的应用前景。