超聲波金屬焊接介紹

超聲波金屬焊接還在電子工業(yè)、電器制造、新材料的制備、航空航天及核能工業(yè)、食品包裝盒、高級(jí)零件的密封技術(shù)方面都有很廣泛的應(yīng)用，量比電流焊接少得多，超聲波邦定作為超聲波金屬焊接的一種小功率應(yīng)用，常用于晶體管或集成電路引線的焊接。當(dāng)用于藥物和易爆材料的密封焊時(shí)，能避免一般的焊接方式因有溶解物等造成對(duì)藥品的污染，不會(huì)因受熱或產(chǎn)生火花而引發(fā)爆炸。對(duì)于我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的現(xiàn)代化社會(huì)，超聲波金屬焊接將發(fā)揮很大的促進(jìn)作用。

1超聲波金屬焊接原理及特點(diǎn)

超聲波金屬焊接原理超聲波金屬焊接是在19世紀(jì)（參數(shù)丨圖片）30年代偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)在做電流點(diǎn)焊電極加超聲振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不通電流也能焊接上，因而發(fā)展了超聲金屬冷焊技術(shù)。超聲波焊接雖然發(fā)現(xiàn)較早，但是到目前為止，其作用機(jī)理還不是很清楚。它類似于摩擦焊，但有區(qū)別，超聲波焊接時(shí)間很短，局部焊接區(qū)溫度低于金屬的再結(jié)晶溫度；它與壓力焊也不相同，因?yàn)樗拥撵o壓力比壓力焊小得多。一般認(rèn)為在超聲波焊接過(guò)程中的初始階段，切向振動(dòng)除去金屬表面的氧化物，并使粗糙表面的突出部分產(chǎn)生反復(fù)的微焊、變形和破壞而使接觸面積增大，同時(shí)使焊區(qū)溫度升高，在焊件的界面處產(chǎn)生塑性變形。在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發(fā)生作用的距離時(shí)，即形成焊點(diǎn)。目前較為公認(rèn)的一種對(duì)超聲波金屬焊接原理的解釋為:焊接金屬材料時(shí)，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超生頻率振動(dòng)電流，再由換能器利用逆壓電效應(yīng)使之轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動(dòng)能，并通過(guò)聲學(xué)系統(tǒng)向焊件輸入。兩被焊工件的接觸界面在靜壓力和彈性振動(dòng)能量的共同作用下，通過(guò)摩擦、溫升和變形，使氧化膜或其他表面附著物被破壞，并使純凈界面之間金屬原子無(wú)限接近，產(chǎn)生結(jié)合與擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)可靠連接。

1．1超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)

①超聲波金屬焊接壓力小，能耗低，且能焊接異種金屬材料?；谶@些特點(diǎn)，可通過(guò)綜合利用超聲波金屬焊接技術(shù)和數(shù)控銑削技術(shù)來(lái)使金屬零件快速成形，并在成形過(guò)程中埋入功能器件來(lái)制作智能金屬基復(fù)合材料等。

②金屬超聲波焊機(jī)可進(jìn)行點(diǎn)焊、連續(xù)焊，其焊接速度快。在應(yīng)用范圍方面，即使材料間的物理性能相差懸殊，也能很好地焊接；還可進(jìn)行其他方法無(wú)法奏效的金屬箔片、細(xì)絲、微小的器件及厚薄懸殊、多層金屬片的焊接。

③超聲波金屬焊接焊點(diǎn)強(qiáng)度高，且其穩(wěn)定性好，具有高抗疲勞強(qiáng)度特征。

④焊接過(guò)程無(wú)需采用水冷和氣體保護(hù)，被焊工件的變形很小，焊接完成后工件無(wú)需進(jìn)行退火等熱處理。超聲波金屬焊接過(guò)程本身包含著對(duì)焊接件表面氧化層的破碎清理作用，焊面清潔美觀，無(wú)需像其他焊接方法那樣進(jìn)行焊后清理。

⑤金屬的超聲波焊接不用焊條，焊接區(qū)不通電，不直接對(duì)被焊金屬加熱。焊接同一工件金屬，與焊條電弧焊、氣焊相比，超聲波焊能耗要小得多。

⑥由于不需要添加焊劑，不污染被加工物，不產(chǎn)生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節(jié)能環(huán)保焊接方法。

⑦由于超聲波發(fā)生器是功率電子線路，易于實(shí)現(xiàn)電氣控制，能很好地與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行焊接控制，從而達(dá)到高精度的焊接，并且易于實(shí)現(xiàn)焊接的信息化和自動(dòng)化。

1．2超聲波金屬焊接的不足

①把超聲波應(yīng)用于金屬材料焊接中，雖然可以得到很好的焊接效果，但是超聲波發(fā)生器和聲學(xué)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合的整個(gè)系統(tǒng)，其穩(wěn)定性、可操作性、可靠性等方面還存在問(wèn)題。所以聲學(xué)系統(tǒng)（換能器、變幅桿、連接部分）的設(shè)計(jì)，以及聲學(xué)系統(tǒng)與試件的連接方式等，都是十分關(guān)鍵的問(wèn)題。

②對(duì)金屬超聲波焊接機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足。超聲金屬焊接是否無(wú)金屬熔化，僅僅是一種固相焊接方法，或者說(shuō)是金屬間的“鍵和”過(guò)程，還有待進(jìn)一步研究。

③超聲波金屬焊接影響工藝參數(shù)因素較多，不易進(jìn)行總結(jié)。

④由于焊接所需的功率隨工件厚度及硬度的提高而呈指數(shù)增加，而大功率超聲波焊機(jī)的制造困難，且成本很高。隨著焊接功率的進(jìn)一步提高，不僅在聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造方面將會(huì)面臨一系列較難解決的問(wèn)題，而且未必能取得預(yù)期的工藝效果。因此目前僅限于焊接絲、箔、片等細(xì)薄件。

⑤超聲波焊機(jī)的“開(kāi)敞性”比較差，工件的伸入尺寸也不能超過(guò)焊接系統(tǒng)所允許的范圍。接頭形式目前只限于搭接接頭。

⑥焊點(diǎn)表面容易出高頻機(jī)械振動(dòng)而引起邊緣的疲勞破壞，對(duì)焊接硬而脆的材料不利。

⑦目前來(lái)講，對(duì)超聲波焊接的焊接質(zhì)量的檢測(cè)還是比較難做的，無(wú)損檢測(cè)設(shè)備還沒(méi)有普及，常用方法無(wú)法用來(lái)監(jiān)控，這也給大批量生產(chǎn)造成一定困難。

1.3影響超聲波金屬焊接質(zhì)量的主要因素

(1)振幅:振幅對(duì)于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[9]，不同的換能器輸出的振幅也不同，同一換能器也可以通過(guò)配置不同的變幅桿及焊頭來(lái)改變焊頭的工作振幅，以滿足對(duì)不同材料的焊接要求。通常的換能器的輸出振幅為5~20滋m，而工作振幅一般為10~30滋m左右，工作振幅同換能器輸出振幅﹑變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān)。

(2)頻率:任何的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如20、40kHz等，焊接機(jī)的工作頻率主要由超聲波換能器(Transducer)、超聲波變幅桿(Booster)、和焊頭(Horn)的機(jī)械共振頻率所決定。超聲波發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部分都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍諧振體。超聲波發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍。以20kHz為例，諧振工作范圍一般設(shè)定為(20依0.3)kHz，在此范圍內(nèi)焊接機(jī)基本都能夠正常工作。制作每一個(gè)焊頭時(shí)都會(huì)對(duì)諧振頻率做調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1kHz。目前超聲波金屬焊接所用的頻率通常為20kHz，實(shí)際上焊頭的頻率一般會(huì)控制在19.90~20.10kHz，誤差小于5‰。

(3)節(jié)點(diǎn):焊頭、超聲波變幅桿均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長(zhǎng)諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅最大，應(yīng)力最小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力最大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不一定為零振幅，這樣就會(huì)引起一些叫聲和一部分的能量損失，對(duì)于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用降振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行屏蔽，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮。橡膠圈被稱為軟固定，降振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般被稱為硬固定。在超聲波金屬焊接里，通常會(huì)采用硬固定結(jié)構(gòu)，硬固定結(jié)構(gòu)還有端面固定模式。

(4)網(wǎng)紋:超聲波金屬焊接通常會(huì)在焊接位表面，底座表面設(shè)計(jì)網(wǎng)紋，網(wǎng)紋設(shè)計(jì)的目地在于防止金屬件的滑動(dòng)，盡可能將能量傳遞到焊接位。網(wǎng)紋設(shè)計(jì)一般有方形、菱形、條形網(wǎng)紋，網(wǎng)紋的大小與深淺根據(jù)具體的焊接材料要求來(lái)確定。

(5)電源:金屬焊接裝置使用的超聲波電源和供塑料焊接裝置使用的超聲波電源沒(méi)有很大的區(qū)別。特殊性在于焊接金屬具有更高的要求，為了滿足金屬焊接的需要，必需使用智能化的超聲波電源-超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器具有頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，在焊接過(guò)程中負(fù)載變化及溫升發(fā)生變化會(huì)引起振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率的改變，因此，要求超聲波發(fā)生器要跟蹤振動(dòng)系統(tǒng)的頻率，使發(fā)生器和振動(dòng)系統(tǒng)之間一直處于諧振狀態(tài)，頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能夠補(bǔ)償在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的工作狀態(tài)改變，使系統(tǒng)重新處15HotWorkingTechnology2015,Vol.44,No.15于諧振狀態(tài)并保正焊接參數(shù)的穩(wěn)定，重點(diǎn)是振幅的穩(wěn)定，這對(duì)于金屬焊接具有非常重要的意義。

(6)換能器:供金屬超聲波焊接裝置使用的換能器和供塑料超聲波焊接裝置使用的換能器沒(méi)有很大的區(qū)別，特殊性在于焊接金屬材料具有更高的質(zhì)量要求，因?yàn)樵诤附咏饘俨牧蠒r(shí)往往需要很大的瞬間功率，要求換能器有高的功率容量和低的阻抗，因此用于塑料超聲波焊接裝置的小功率換能器不能用于金屬的超聲波焊接。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2．1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波金屬焊接工藝的研究主要集中在超聲波點(diǎn)焊的試驗(yàn)研究方面。

許多學(xué)者對(duì)超聲波焊接能否達(dá)到金屬熔點(diǎn)形成一致看法：超聲波焊接是固相連接，只能達(dá)到金屬熔點(diǎn)的35％～50％。而華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的楊圣文和湯勇在銅片和銅管超聲波焊接試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究超聲波焊接機(jī)理，他們通過(guò)SEM圖來(lái)觀察金屬微觀組織和能量角度分析。最后得出結(jié)論：認(rèn)為銅片與銅管的超聲波焊接過(guò)程更可能是一種基于焊接區(qū)域純潔金屬充分貼合和微齒表面局部高溫而熔化基礎(chǔ)之上的金屬鍵合、機(jī)械嵌合等作用的物理冶金過(guò)程。認(rèn)為超聲波焊接可能使金屬熔化，或至少達(dá)到金屬熔點(diǎn)的80％，從而實(shí)現(xiàn)金屬的冶金焊接。

江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張青來(lái)和王粒粒研究了表面狀態(tài)、焊接材料厚度等因素對(duì)AZ31B鎂合金薄帶超聲波焊接性能的影響，認(rèn)為由于超聲波金屬焊接對(duì)焊接件表面破碎及清理作用，表面狀態(tài)對(duì)鎂合金薄帶的焊接強(qiáng)度影響較小，且試驗(yàn)表明中間層材料的選擇對(duì)鎂合金超聲波焊接有一定影響，還認(rèn)為焊接區(qū)域的溫度升高與焊接材料厚度成反比。

華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院張銥洪和馬傳藝基于銅鋁材料性能分析，推導(dǎo)出焊接區(qū)域理論溫度，并結(jié)合實(shí)測(cè)溫度與焊接區(qū)域掃描電鏡圖片探討了鋁片－銅管太陽(yáng)能集熱板超聲波金屬焊接機(jī)理，認(rèn)為超聲波焊接接頭的形成是材料自身塑性、施加壓力以及摩擦升溫共同作用的結(jié)果。

王軍和賀占蜀通過(guò)對(duì)鋁片-銅管太陽(yáng)能集熱板超聲波焊接的金相組織、掃描電鏡（SEM）和能譜分析，得出4個(gè)重要機(jī)理。巨大的塑性變形和機(jī)械嵌合引起位錯(cuò)和空位密度的增大，直接導(dǎo)致擴(kuò)散程度的加深，而擴(kuò)散和機(jī)械嵌合又可以大大提高金屬“鍵合”的可能性，金屬“鍵合”則直接導(dǎo)致這2種材料結(jié)合為一體。因此，材料塑性變形、機(jī)械嵌合、金屬“鍵合”以及原子擴(kuò)散共同影響著Cu，Al超聲波焊接的質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)研究者還對(duì)金屬導(dǎo)線與焊盤的超聲波點(diǎn)焊性能進(jìn)行了研究，分析了Al/Au與Au/Al焊接界面在恒溫下的時(shí)效反應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)Al/Au焊接界面具有更好的熱穩(wěn)定性，并認(rèn)為高頻超聲振動(dòng)將提高金屬晶格內(nèi)的位錯(cuò)密度，產(chǎn)生位錯(cuò)擴(kuò)散與表面擴(kuò)散，而形成金屬超聲波結(jié)合。

在焊接性能的模擬分析方面，香港科技大學(xué)YongDing等人基于材料應(yīng)變率和塑性應(yīng)變硬化特性，對(duì)Au線與Au/Ni/Cu焊盤的超聲波點(diǎn)焊進(jìn)行2D及3D仿真，得出焊接區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了實(shí)際焊接區(qū)域情況以及摩擦能量對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)焊接接口呈現(xiàn)出長(zhǎng)橢圓形狀，且最大的焊接結(jié)合出現(xiàn)在焊接接口周圍，認(rèn)為摩擦能量是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一；另外，基于非耦合熱結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了3D有限元仿真，得出Au線與Au/Ni/Cu焊盤的超聲波點(diǎn)焊溫度分布圖，認(rèn)為在焊接過(guò)程中焊接件的平均溫度較好地低于金屬熔點(diǎn)，焊接接口的局部高溫是焊接固態(tài)結(jié)合的重要原因。

上述有的研究工作在某些方面存在不足，如：張銥洪等人雖然通過(guò)彈塑性理論推導(dǎo)出了焊接區(qū)域的理論溫度，但其沒(méi)有分析溫度場(chǎng)與摩擦系數(shù)間的相互影響；YongDing等人對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真分析，但沒(méi)有考慮到焊接過(guò)程的熱機(jī)械性能之間的相互作用對(duì)應(yīng)力應(yīng)變及溫度場(chǎng)的影響。國(guó)內(nèi)的研究工作沒(méi)有涉及或者深入探討超聲波金屬焊接機(jī)理的一些重要因素，如：焊接過(guò)程中熱機(jī)械性能間的相互作用、高頻超聲振動(dòng)對(duì)材料塑性流的作用等，從而不能充分揭示超聲波金屬焊接的機(jī)理。

2．2國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)超聲波金屬焊接的工藝進(jìn)行了更為深入的研究，下面將從試驗(yàn)與模擬研究?jī)煞矫娣謩e對(duì)該技術(shù)的國(guó)外研究情況進(jìn)行介紹。英國(guó)拉夫堡大學(xué)Kong等人通過(guò)大量試驗(yàn)分別得出了0．1mm厚3003與6061這2種鋁合金薄片各自最佳的滾焊焊接工藝參數(shù)范圍，并結(jié)合線性焊接密度（真實(shí)焊接連接區(qū)域占整個(gè)焊接面積的比例）與焊接試樣剝離強(qiáng)度以及微觀組織分析來(lái)評(píng)價(jià)試樣的焊接質(zhì)量。試驗(yàn)表明，在超聲波振動(dòng)與施加靜壓力的雙重作用下，焊接接口產(chǎn)生摩擦與塑性流，使得焊接接口鋁合金薄片表面的氧化膜破碎而逐漸形成連接點(diǎn)；隨著振動(dòng)的持續(xù)，氧化膜將被阻擋在焊接接口外，并在較大的振幅下被驅(qū)散，而得到較高的線性焊接密度與焊縫強(qiáng)度。由于6061鋁合金薄片的表面存在氧化膜，在焊接過(guò)程中不能有效產(chǎn)生摩擦來(lái)破碎驅(qū)散氧化膜，使其薄片間難以產(chǎn)生焊接連接點(diǎn)；通過(guò)焊前對(duì)6061薄片表面進(jìn)行預(yù)處理，可以有效提高其焊接線性密度。

另外，為了探索利用超聲波固接技術(shù)來(lái)制造智能金屬結(jié)構(gòu)，Kong等人嘗試在鋁合金薄片間埋入形狀記憶合金纖維與光學(xué)纖維。試驗(yàn)表明，在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)溫度敏感的SMA和易破碎的光學(xué)纖維都被成功埋入到鋁合金薄片中，如圖2所示，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形與損壞。在埋入SMA的焊件接口發(fā)現(xiàn)了明顯的未連接痕跡，認(rèn)為可能是由于SMA具有較高的阻尼率，在焊接過(guò)程中吸收了部分超聲波振動(dòng)能量，因此需要更大的超聲波能量來(lái)獲得更完全的焊接；并分析了焊件的熱機(jī)械響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)在焊件溫度高于SMA相變溫度后，熱膨脹率開(kāi)始偏離線性狀態(tài)。在埋入多模光學(xué)纖維試驗(yàn)中采用了2種方案，即直接埋入帶聚合物保護(hù)層的光纖與埋入去除保護(hù)層的裸光學(xué)纖維。第1種方案由于部分聚合物保護(hù)層被熔化并驅(qū)散分布于焊接接口周圍，降低了焊接接口強(qiáng)度；在第2種方案中，通過(guò)測(cè)量埋入于鋁合金中光纖的透射光強(qiáng)度來(lái)衡量光纖的完整程度，得出了最佳埋入處理參數(shù)，為今后的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的DeVries通過(guò)紅外線攝像機(jī)測(cè)量了鋁合金薄片超聲波焊接過(guò)程的溫度，在不同焊接工藝參數(shù)條件下，一般為金屬熔點(diǎn)的40％～80％。Cheng等人通過(guò)微傳感陣列對(duì)銅合金與鎳2種金屬的超聲波焊接過(guò)程中熱量產(chǎn)生與溫度分布情況進(jìn)行了研究，認(rèn)為焊接過(guò)程溫度一般為100～250℃。

Gunduz等人研究了在高溫條件下（513K）鋁與鋅2種金屬超聲焊接的情況，發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中焊接接口內(nèi)擴(kuò)散加劇，焊接金屬出現(xiàn)部分熔化。認(rèn)為材料空穴聚集將增加到0．1左右，材料擴(kuò)散率也將變大。

Zhang等人對(duì)3003－H18鋁合金薄片超聲波焊接的摩擦行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中摩擦系數(shù)與區(qū)域溫度呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，它隨著溫度的上升先變大再下降至室溫時(shí)的水平，滑動(dòng)速度對(duì)鋁合金的摩擦系數(shù)影響很小。

Jeng等人研究了不同焊接條件對(duì)超聲波金屬線焊接的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)表明，連接溫度對(duì)焊接初期的結(jié)合強(qiáng)度有著極大的影響，而焊件表面的粗糙度在焊接最后階段成為決定焊點(diǎn)強(qiáng)度的主導(dǎo)因素；對(duì)于在不同焊接壓力與粗糙度的焊接條件下，最大的結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)在焊接初期。

JanakiRam等人對(duì)多種材料結(jié)構(gòu)的超聲波固接性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：鋁銅合金、鎳基合金等材料均能與3003鋁合金實(shí)現(xiàn)良好的焊接，在現(xiàn)有焊接參數(shù)條件下AISI347不銹鋼、黃銅與3003鋁合金的焊接性能較差，并在3003鋁合金中成功埋入了SiC纖維與不銹鋼線，認(rèn)為超聲波固接技術(shù)是制造多種材料結(jié)構(gòu)的有效方法。

ahn等人研究了焊接底座幾何形狀與焊接能量對(duì)超聲波點(diǎn)焊性能的影響，試驗(yàn)表明：焊點(diǎn)強(qiáng)度隨著焊接熱輸入的增大而提高，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定水平，低能量焊接樣本拉伸后斷裂在焊接接口，而高能量樣本斷裂出現(xiàn)在焊接接口的周圍；在焊接能量上升初期，焊接孤立點(diǎn)不斷出現(xiàn)，當(dāng)焊接能量達(dá)到一定水平時(shí)，出現(xiàn)連續(xù)的焊接區(qū)域，焊接接口由平坦轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ诵螤?，并且在整個(gè)能量上升階段伴隨著變形微觀組織的出現(xiàn)；在焊接接口的孤立點(diǎn)與變形微觀組織周圍存在著微孔，經(jīng)過(guò)等溫退火處理后，觀察到焊接區(qū)域內(nèi)部顆粒生長(zhǎng)，但多孔界面微觀結(jié)構(gòu)不受影響。

Li等人研究了超聲波焊極表面的紋理組織對(duì)超聲波焊接性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊極表面的紋理組織較差時(shí)，在振動(dòng)振幅超過(guò)一定門限值后，由于焊極與金屬薄片間產(chǎn)生滑動(dòng)而導(dǎo)致大量超聲振波動(dòng)能量損失；粗糙的焊極表面能夠增大焊接接口的摩擦，具有較高的能量傳遞效率，另一方面這也將增大焊接接口的空穴水平，影響焊接質(zhì)量。認(rèn)為均勻、粗糙的紋理表面是實(shí)現(xiàn)良好焊接的前提條件。Li等人還對(duì)超聲波固接纖維埋入過(guò)程中鋁合金的塑性流與加工硬化情況進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：在埋入過(guò)程中SiC與SM光纖周圍出現(xiàn)大量的塑性流和少量空穴；在埋入纖維周圍的鋁合金加工硬化顯著，3003退火鋁合金比6061退火鋁合金出現(xiàn)更高的加工硬化水平；由于埋入過(guò)程的差異而造成在3003退火鋁合金中埋入SM光纖比埋入SiC纖維產(chǎn)生更少的塑性變形。認(rèn)為在超聲波固接加工過(guò)程中，塑性流引起的加工硬化可以依據(jù)Hall-Petch關(guān)系來(lái)計(jì)算，而金屬薄片間的摩擦對(duì)加工硬化作用不大。

Gao與Doumanidis基于金屬焊接接口的摩擦邊界條件的定義，對(duì)金屬薄片的超聲波點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行了機(jī)械分析，指出了摩擦與壓力對(duì)焊接區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)形成所產(chǎn)生的作用，認(rèn)為該2D數(shù)值模型有助于研究焊接接口的應(yīng)力集中、塑性流的產(chǎn)生及擴(kuò)散等焊接現(xiàn)象。

DeVries推導(dǎo)出一個(gè)超聲波金屬點(diǎn)焊的機(jī)械學(xué)模型，認(rèn)為該模型可以預(yù)測(cè)在點(diǎn)焊過(guò)程中產(chǎn)生的切向力及其給點(diǎn)焊質(zhì)量所帶來(lái)的影響，并能夠解釋焊接材料特性、預(yù)焊件表面條件及點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程產(chǎn)生的作用，有助于解決一些超聲波金屬焊接的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。通過(guò)仿真與試驗(yàn)分析認(rèn)為，焊接連接應(yīng)力峰值隨著材料厚度的增大而顯著下降；材料的表面條件，尤其是摩擦系數(shù)，對(duì)焊接質(zhì)量和避免超聲波焊極出現(xiàn)粘焊現(xiàn)象至關(guān)重要；焊接區(qū)域的溫度受選取焊接工藝參數(shù)的影響，最高溫度出現(xiàn)在靠近超聲波焊極的邊緣處，認(rèn)為這可能是由于外部塑性變形比焊接區(qū)域內(nèi)部的塑性變形產(chǎn)生了更多的熱量，同時(shí)指出焊接過(guò)程的溫度上升將對(duì)焊接材料的性能產(chǎn)生較大影響。

美國(guó)塔夫斯大學(xué)的Yadav等人在忽略超聲波焊極和焊接底座各自與金屬薄片接口間的熱傳導(dǎo)與滑動(dòng)、只有與超聲波焊極接頭表面的凸出相接觸的上焊件區(qū)域才受到靜壓力與剪切振動(dòng)等前提下，對(duì)超聲波點(diǎn)焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，溫度預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相一致，分析認(rèn)為在金屬焊接區(qū)域的溫度適當(dāng)上升與劇烈應(yīng)變作用下，將產(chǎn)生晶格空穴聚集，并通過(guò)空穴內(nèi)擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)金屬材料的結(jié)合。

Daud等人通過(guò)試驗(yàn)與仿真研究了1050鋁合金在超聲波作用下的拉伸與壓縮行為，所有仿真都是在忽略溫度變化影響條件下進(jìn)行機(jī)械學(xué)分析，并通過(guò)改變超聲振動(dòng)過(guò)程中的摩擦力大小來(lái)計(jì)算1050鋁合金的形變，分析認(rèn)為，不能依據(jù)應(yīng)力疊加與表面效應(yīng)來(lái)解釋超聲振動(dòng)在金屬焊件上所產(chǎn)生的作用，通過(guò)研究鋁合金微觀組織如何吸收超聲能量，有可能解決這個(gè)問(wèn)題。

Zhang等人認(rèn)為在超聲波金屬焊接過(guò)程中存在熱機(jī)械耦合相互作用：焊接條件的變化影響焊接摩擦條件、摩擦過(guò)程中將產(chǎn)生熱量、熱量場(chǎng)影響焊接局部區(qū)域的塑性流與材料機(jī)械屬性、最后塑性流與改變的材料屬性將反作用于焊接摩擦條件，并認(rèn)為摩擦對(duì)焊接結(jié)合及其質(zhì)量起到了重要的作用。在假設(shè)塑性流對(duì)摩擦生熱不產(chǎn)生影響、熱量場(chǎng)主要由摩擦生成以及鋁薄片表面與超聲焊極間不存在滑動(dòng)條件等前提下，提出了一個(gè)3D熱機(jī)械有限元模型，來(lái)分析焊接過(guò)程的溫度與塑性應(yīng)變分布情況。分析認(rèn)為，在焊接初期焊接接口區(qū)域的摩擦熱流迅速上升，隨著焊接的繼續(xù)最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定水平，峰值溫度出現(xiàn)在焊接接口；塑性應(yīng)變有助于焊接結(jié)合形成，類似于溫度場(chǎng)，其最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大的應(yīng)變出現(xiàn)在焊接連接區(qū)域的中心附近，還發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變具有波形分布的特點(diǎn)，這可能是由于層疊的超聲振蕩波所造成的。

Siddiq等人在充分考慮焊接過(guò)程中出現(xiàn)的表面效應(yīng)與體積效應(yīng)前提下，提出了一個(gè)基于循環(huán)塑性理論的材料模型和一個(gè)依賴于滑動(dòng)、連接壓力、循環(huán)次數(shù)及溫度的可變摩擦系數(shù)的摩擦準(zhǔn)則，對(duì)6061鋁合金薄片超聲波滾焊過(guò)程的熱機(jī)械性能進(jìn)行了模擬仿真，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。分析認(rèn)為，焊接表面的摩擦并不是金屬焊接結(jié)合的主要原因，其主要是起到破碎及驅(qū)散焊接接口金屬表面的氧化層和雜質(zhì)的作用，焊縫形成主要是由于在原子力作用范圍內(nèi)的金屬原子結(jié)合；焊接過(guò)程中溫度僅為金屬熔點(diǎn)的15%～55％，最高溫度遠(yuǎn)低于金屬的熔點(diǎn)；靠近超聲波焊極的金屬材料由于吸收了超聲波能量，在焊極還未移動(dòng)到它之上時(shí)提前出現(xiàn)預(yù)軟化，并將沿著焊極運(yùn)動(dòng)方向持續(xù)，這可能用來(lái)解釋為什么在采用超聲波金屬滾焊埋入纖維試驗(yàn)中在纖維周圍出現(xiàn)的材料流現(xiàn)象；由于熱軟化與超聲波軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接口的摩擦應(yīng)力減小。

Elangovan等人在假設(shè)超聲波焊頭表面凸出均勻、焊接金屬薄片間不存在空氣間隙等前提下，對(duì)超聲波金屬點(diǎn)焊過(guò)程中不同焊接條件點(diǎn)焊區(qū)域的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析認(rèn)為，由于焊接件吸收超聲波能量而產(chǎn)生更多熱量，使得溫度聚集更靠近焊接件；施加壓力對(duì)點(diǎn)焊區(qū)域的變形產(chǎn)生重要作用，點(diǎn)焊接口的溫度隨著壓力的增大而降低，過(guò)大的施加壓力將導(dǎo)致焊件接口變形，不利于焊接結(jié)合。該模型有助于解釋材料屬性、表面條件及其他焊接參數(shù)對(duì)焊接行為帶來(lái)的影響。

3制約國(guó)內(nèi)超聲波金屬焊接技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵因素

(1)換能器功率:換能器是超聲波焊接設(shè)備的核心部件，金屬超聲波焊接要求換能器有大的功率容量、長(zhǎng)時(shí)間的小衰減。國(guó)內(nèi)大部分公司的20KHz換能器往往只能承受約1500W的負(fù)載，這和國(guó)際上領(lǐng)先制造商的同類產(chǎn)品能達(dá)到5000W還存在很大的差距，國(guó)內(nèi)也尚未有見(jiàn)到掌握大功率超聲波換能器的推-挽技術(shù)的報(bào)道。

(2)超聲波發(fā)生器:穩(wěn)定的超聲波發(fā)生器的要求必須具有頻率自動(dòng)跟蹤功能，這樣可以保證換能器系統(tǒng)能夠始終工作在諧振狀態(tài)，即達(dá)到焊頭振幅的最大化。國(guó)內(nèi)很多公司采用的是自激式的全橋或半橋電路，不具備頻率自動(dòng)跟蹤的功能。這樣造成的問(wèn)題是當(dāng)電感及電容的參數(shù)確定時(shí)，發(fā)生器的諧振頻率就是個(gè)定值，不會(huì)隨著溫度或負(fù)載的變化而變化，而焊頭及換能器的頻率會(huì)隨著溫度及負(fù)載的變化而產(chǎn)生偏移，這樣，焊頭的振幅就會(huì)隨著頻率的偏移而大幅下降，這直接會(huì)導(dǎo)致焊接參數(shù)的變化，影響焊接穩(wěn)定性。

(3)焊頭材料的性能:超聲波金屬焊接要求有高度耐磨的焊頭，這樣就要求焊頭材料具有高硬度的性質(zhì)，而超聲波焊接技術(shù)本身要求焊頭材料要有較好的韌性，這就造成了焊頭材料選擇上的矛盾。由于這些技術(shù)上的限制，目前國(guó)內(nèi)大部分公司的焊頭還無(wú)法和歐美同類產(chǎn)品所使用的焊頭相媲美。

4超聲波金屬焊接技術(shù)今后發(fā)展方向

我國(guó)超聲波金屬焊接技術(shù)起步較晚，很多都是簡(jiǎn)單的對(duì)超聲波塑料焊接的原有技術(shù)進(jìn)行的修改，正是由于兩者的技術(shù)差異，使得這種做法并不能真正滿足超聲波金屬焊接的技術(shù)要求。但是我們可以看到，近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)公司和相關(guān)科研人員通過(guò)不斷的技術(shù)攻關(guān)和自主研發(fā)，已經(jīng)有一些產(chǎn)品能夠達(dá)到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品的水平。為了解決制約超聲波焊接裝備的關(guān)鍵技術(shù)，拓寬超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍，作者認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作:

(1)大功率換能器技術(shù):超聲波金屬焊接對(duì)換能器的功率有很大的需求，設(shè)計(jì)和制造出大功率的超聲波換能器迫在眉睫。目前有一種推-挽式超聲波系統(tǒng)[10]，能夠大幅提高換能器功率，值得我們更加深入的研究和改進(jìn)。

(2)焊頭材料:在超聲波金屬焊接過(guò)程中，如果焊頭的質(zhì)量不能達(dá)到理想的水平，將會(huì)大大影響我們?cè)谏a(chǎn)和應(yīng)用中的成本和產(chǎn)能。我們對(duì)超聲波金屬焊接所用焊頭的要求是既要有高硬度，又要具有良好的韌性，這樣才能保證焊頭的使用壽命。同時(shí)焊頭表面網(wǎng)紋的設(shè)計(jì)也在一定程度上影響焊接質(zhì)量。因此想要保證焊頭的質(zhì)量和壽命，我們不單要不斷選擇更加合適的焊頭材料，還可以從表面涂層或滲層技術(shù)、表面網(wǎng)紋設(shè)計(jì)等方面做更深入的研究。

(3)超聲波電源技術(shù):超聲波金屬焊接較超聲波塑料焊件而言，對(duì)于電源有了更為嚴(yán)格的要求。因此，設(shè)計(jì)和制造出更好的超聲波發(fā)生器對(duì)于提高超聲波金屬焊接質(zhì)量的作用顯而易見(jiàn)。能夠頻率自動(dòng)跟蹤的超聲波發(fā)生器技術(shù)還有很多需要改進(jìn)的地方，這也將成為我們研究的重點(diǎn)。

(4)超聲波焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用:超聲波金屬焊接技術(shù)是在超聲波塑料焊接技術(shù)之上發(fā)展起來(lái)的，但由于關(guān)鍵技術(shù)還存在一些問(wèn)題，遠(yuǎn)沒(méi)有像超聲波塑料焊接技術(shù)那樣獲得廣泛的應(yīng)用，目前超聲波金屬焊接主要應(yīng)用于汽車、制冷、太陽(yáng)能、電池、電子等幾個(gè)領(lǐng)域。但是超聲波金屬焊接技術(shù)在金屬層狀復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)還是一項(xiàng)空白，隨著我國(guó)超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的突破，相信超聲波金屬焊接在金屬層狀復(fù)合材料制造領(lǐng)域以及金屬快速增材制造領(lǐng)域?qū)@得推廣應(yīng)用。

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