超声波焊接中焊接参数对焊点质量的影响.docx

超声波焊接参数对不同焊点微观结构和机械性质的影响超声波焊接参数对不同焊点微观结构和机械性质的影响摘要摘要超声波点焊技术相对于传统融化焊接技术在应用上的便利，让其在过去数年间获得了 巨大的关注不同的铝与不锈钢合金之间的熔焊始终是一个具有挑战性的任务,因为对焊滴 大小的糟糕控制以及焊接金属中形成不需要的脆性金属间化合物，并且还会对机械性质产 生有害的影响以前,已经实现不同合金之间焊接方法有电子束焊接,激光焊接和搅拌摩擦点 焊,电阻点焊等但是，很少有报道关于不同铝与不锈钢合金之间的焊接使用超声波点焊技 术目前工作的目标是优化超声波点焊机参数来焊接 3003 的铝合金与 304 不锈钢焊接在 不同的合模压力（例如 30、40、50 和 60 psi）以及能量水平下进行，并以此来调查压力与 能量对金属微观结构、机械性质以及节点质量的影响例如：“焊接不足” 、 “好焊”与 “过度焊接”的定义利用了不同焊接参数情况下的焊接的物理属性利用 125 焦耳和 150 焦耳能量制作焊接样本显示了最大粘结强度，并且被划定为“好焊” ，同样还揭露对于高质 量的焊接,最大抗拉强度依靠合理规模的结点密度与材料变薄(形成冶金结点之所需)获得的。

1 1、前言、前言超声波点焊（USW）在不同的行业，例如电气、电子[2]以及特别是汽车行业[3]，对于 不同（材料）之间的焊接被熟知为固态的连接处理[1]这种连接技术避免了与熔化焊接相 关的一般问题，比如快速形成金属间化合物、脆性阶段的演变以及焊接部分的变形[2]此 外，超声波焊接并不需要任何填充和焊接材料[4]超声波技术在金属中产生焊点并保持金 属固态状态不需要融化以及可塑部分的融合[5]因此超声波点焊技术适用于有色软金属及 其合金,如铜、铝、黄铜、金和银[5]超声波点焊的金属例如钢、钛、镍以及其多样化的不 同组合如 Al /钢铁、金属/陶瓷、金属/玻璃、铝/铜，在文献[6,7]中也有论述在超声波点 焊中，好的焊接结点甚至是薄片需要更高的能量[8]，以往，不同合金之间的焊接可以通过 束焊接[9],激光焊接[10]和搅拌摩点焊法[11],电阻点焊[12]等方法实现但是，很少有报道关 于不同铝与不锈钢合金之间的焊接使用超声波点焊技术 超声波金属焊接首次被介绍是在 1950 年应用于线路焊接、管焊接、薄金属箔片焊接 [13] 这种技术相对于传统电阻点焊法（RSW）用相对少的能量，对于 RSW，结点一般是在相对 较低的温度（大约 300℃）较短的焊接周期（<0.5s）条件下形成的[14]。

对于超声波点焊楔 形簧片以及横向获取系统配置一般是需要用到的在这两个系统中通过换能器转换的电能， 并产生频率相同的剪切振动，然后这种频率传递到置于恒定夹紧力下的工件高频剪切振 动（一般 20KHZ）带有消除氧化物和污染物层以及产生剪切变形的附带影响随着温度的 身高发生软化并且吸收声能降低了材料的屈变力这导致开始时金属彼此相连并且产生粘 附 同样在两金属交界面也会产生扩散[5]，在超声波点焊过程中有几个焊接机理，包括由塑性 变形、焊接交界面的扩散、摩擦生热产生的融化、交界面化学反应和机械咬合产生的冶金 附着力[1]尽管由于这些焊接的机理，但是对于焊接机理任然是不清楚的并且到目前为止 存在争议几乎没有研究针对铝与其他金属如 Al -铜、Al-Au 、Al-Fe 之间的连接，甚至连 钢的焊接都很少[15]虽然，对于 USW 的焊接质量测量标准还没有建立，但是一些研究已 经开始确定超声波焊接结点的质量，例如：打算将电阻点焊法中用以质量评估的表面检测 法用于超声波点焊[17]Kong 等人 [18]、和 Yang 等人[19]建议“线性焊接密度（LWD） ”作为结点质量检测标准Hetrick 等人[13]描述几种焊点横截面的微观结构特征来评价汽车制 造业中超声波金属焊接的过程参数。

Bakavos 和 Prangnell[20]分析了超声波点焊法中铝合金 焊点形成的微观将结构Zhou 等人发展了针对焊接样品的有限元分析模型[21]，这种模型 根据两种截然不同的失效模式：超声波金属焊点的拉伸破裂与内部界面破裂，来预测超声 波金属焊点的性能Kim 等人[22]，利用导电材料，例如 copper-plated,镀镍铜，产生超声波 金属焊点，并且通过确定在 T-peel 测试中的失效模式发展了质量标准虽然，这些研究已 经被用来确定超声波焊点的质量，但是这些研究中没有一种确定了物理属性与焊点性能之 间简单的联系Zhou 等人[23]，建议可以测到的物理属性可能影响焊点的性能这一观点 最近被 Lee 等人[16]用到，来描绘敷锂铜片，在这个研究中，试图努力优化超声波点焊参数 来连接 3003 铝和 304 不锈钢（304SS） 为了更深的理解超声波点焊的机理，从质量和数量 的角度对焊点复杂的特征做了描述2 2、理论背景、理论背景超声波点焊系统包括五个主要的部分，(i)供电部分，电源提供高频（一般 20kHz）的 电能，(ii)压电转换器，将电能转换成相同频率的线性机械振动，(iii)放大器，放大机械振动 幅度，(iv)超声波发生器，进一步放大机械振动的幅度，(v)气缸，提供焊接时夹紧压力[20]，USW 使用两个系统，即楔形簧片和横向获取系统，在楔形簧片系统中因为是弯曲度模型 所以对于参数的准确控制是不可能的，通过簧片机械振动转换到工件的振动。

在这个系统 中，铁砧有时作为一个振动部分，因为相位和簧片产生共振，这就是为什么楔形簧片系统 对于焊接很厚的片更有用另一方面，横向获取系统简单并且允许焊接参数通过换能器被 测到，对于硬度较低薄片比较有用，可以实现不同类型之间的焊接比如线、缝、环形，但 焊接结点布置更适合这种配置因此，在这个研究之中典型的结点配置（图 2）是利用横 向获取系统产生 在超声波点焊法中，频率、振动幅度、吸附力、功率、能量以及时间是相互联系的主 要过程参数，超声波点焊设备可达到的频率范围在 15—75kHz 之间，其中，20kHz 是最常 用的，在这个频率（20kHz）有很高的应变速率（/s） ，并且修整焊接样品之间微103‒ 105米级的粗糙表面时在局部会很快形成张力[24]Bates 等人[25] ，、在理论上计算了剪切应变 速率可利用以下关系：𝑟'=2𝑓𝐴 ℎ0此公式中 f 代表频率，代表超声波发生器之间焊接板片的厚度减少量，A 代表 USWℎ0设备的振动幅度振动幅度是最重要的过程参数，并且它与功率以及升压设备或超声波发 生器提供的增益有关由 USW 产生的振幅范围在 30—60um[20]，能量输入域振动幅度之间 的关系可由以下关系给出[24]：（2）𝐸 ∝ 𝐴2 应用于焊接表面的静态压力依靠的是焊接端点以及由气动气压缸调节的吸附力，临界 吸附力要求产生焊接表面的紧密连接。

一般来说，巨大的变形是系统的大功率产生高吸附 力的结果，另一方面，吸附力不足产生焊接表面滑动或者粘连，导致焊接表面过热，进而 设备损坏[26]最大的功率用来产生超声波穿透系统，反馈系统控制焊接周期中保持超声波 堆栈运动所需功率大小，这个系统控制改变焊接时间来满足不同的能量标准直到达到令 人满意的能量标准以及完成焊接周期因此，焊接时间主要是由功率和能量大小决定，其 关系可表示为以下关系式：（3）𝐸 = 𝑃 ∗ 𝑡此公式中，E 代表能量，P 代表功率 以及 t 代表时间，在目前前工作中，各种不同的吸附力的作用，例如：在不同的能量标准下使用 30、40、50 以及 60psi 来焊接 3003 铝和 SS 合金的薄片3 3、实验细节、实验细节超声波焊接点是利用 2.4kW 的超声波点焊机使用 300um 厚的 3003 铝合金薄片和 50um 厚的 304SS 合金薄片产生，系统原理图见于图 1，一个尺寸为 8x6mm 的焊嘴和超声波发生 器相连，其中只有一种模式会在所有实验中应用，因为不同的模式对于焊接力量影响不同 [27]样品按照平行于滚动方向切割为标准规格 25x100，并且焊接表面有 25mm 的重𝑚𝑚2叠，不需要清洁也不需要预先处理。

超声波点焊的振动方向垂直于薄片的滚动方向，在这 个实验中超声波振动的幅度范围在 58um 左右这个超声波电焊机可获得的最大功率是 2.4kW，这个功率在整个过程中保持稳定焊接的能量根据不同的吸附力在 75—200 焦耳之 间变化，例如吸附力为 30、40、50 或 60psi，为了评价焊接结点强度，利用 MTS831.10 弹 塑性计检测系统对每种焊接情况的焊点进行拉伸测试使用一个 5kN 的负载来避免固定置 换速率 1mm/min 下产生的不必要的动态效应，使用 Leco VC-50 精密金刚石切割工具将焊 点进行切片为避免热效应对焊点微观结构的影响，对切片的试件冷安装两个环氧树脂组 件对安装有组件的试件使用碳化纸抛光至 800 粒度大小，然后用金刚石打磨至 1um，进 一步用硅胶处理到 0.05um，用显微镜查看，样品在室温条件下在腐蚀溶液（100mL 水，4 克高锰酸钾，1 克氢氧化钠）中被侵蚀，图片是通过 Olympus GX 51 光学显微镜获得的 维氏硬度测量是在整个焊点抛光表面进行的，同样也在低于表面 1mm 的不同的位置进行测 量，使用的是 Leco MA 100 硬度检测设备，其负载为 25 克。

图 1图 2图 34 4、结果与讨论、结果与讨论4.14.1、剪切测试、剪切测试 在图 3 之中，描绘了对于焊点样片最大的拉伸负载相对于 2.4kW 恒定功率下四种不同 吸附力的关系可以在 40 和 60psi 的吸附力条件下观察到几乎相似的趋势，结点强度在能 量升到 125 焦耳之前时增加，然后降低在吸附力为 30psi 时，结点强度一直波动直到能量 上升到 150 焦耳，然后呈现下降趋势在另一方面，吸附力为 50psi 时，结点强度没有明显 的趋势，只是在 225—300 牛顿之间波动对于更低的吸附力（30psi） ，需要更长的时间在 225 焦耳能量条件下来达到拉伸强度的最佳效果另一方面，对于吸附力为 50psi，只需要 更短的时间更低能量来达到中等强度此外，对于更高的吸附力（60psi） ，焊点呈现出相似 的强度在更短的时间（0.14s）更低的能量（125 焦耳）相较于之前的两种情况从这个图 中可以清楚看到在更高能量时焊点强度的降低以及吸附力的下降，这是因为在超声波点焊 中更高的吸附力会导致高滑动阻值产热增加因此，在可塑性工作中通过微焊以及能量消 耗可以使焊接快速发生但是，在吸附力很高的条件下，焊接表面发生粘连，焊接界面最初的变形主要是弹性变形而不是由于释放热量打破结点导致的塑性变形[29]。

4.24.2、用焊点属性来描述焊点、用焊点属性来描述焊点调查焊点物理属性与焊点性能的关系，将光学显微镜和硬度测量设备应用到切割样片 不同部分表面测量，这些样片是在 40psi 吸附力以及不同焊接能量值（75—200 焦耳）条件 下获得的光学显微图像见于图 4（a）-(c)，针对于不同焊接能量可以从图 4 中看出沿着 焊接表面存在缺口，缺乏焊点例如：表面的缺口是因为能量低于 75 焦耳可以从图中看 出缺口随着能量的升高变得模糊，并且材料之间更加紧密的连接在一起随着焊接能量的 提升可以从图中清晰地观察到随着焊接能量的提升铁砧的痕迹以及超声波发生器的增强， 因为能量的过度输入导致了材料的变形[16]随着能量的增加铁砧痕迹加深和以前的研究是 相符的[28] 4.2.14.2.1、结点机理、结点机理 在超声波点焊机中，冶金附着力在整个界面上扩散局部的融化与机械咬合[1]是主要 观察的机理用光学显微镜观察用 125 焦耳能量产生的焊点样片，如图 5，局部的微小结 点可以从焊接表面上观察到能观察到是因为剪切形变的连续性，在图 5 中可以很明显的 观察到这种连续性导致结点连接成。