铝片铜管太阳能集热板超声波焊接机理研究.doc.docx

铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接机理研究摘要：在铝片一铜管太阳能集热板超声波焊接试验的基础上．首先从弹塑性理论特别是铝的应力一应变曲线导出焊接区域主要发生塑性变形，进而推导出焊接接头区域理论温度；然后通过人工热电偶试验测得铝片表面及铝片一铜管间的温度．再结合接头扫描电镜图片进行验证，认为焊接接头的形成是由材料本身的塑性本质、一定的摩擦升温、工具头竖直方向压力3个因素共同作用的结果．整个过程使接头区域材料发生充分的塑性变形，破坏并清除捩氧化物、油污，使焊件材料捍原子之间发生力的作用而形成金属键合。关键词：铝芄片一铜管太阳能集热板；超灸声波焊接；焊接接头中图埕分类号：tg453、9文枞献标识码：a当前金属管板式太阳能集热板大多采用酰铜管一铜片的组合，这种鲐组合虽然有利于材料的焊接灞，易于制造，但成本较高尺，不利于普及。而铝的密度ㄇ小，价格比铜低，工业上经布常用铝代铜．因此用铝片代替铜片作为太阳能集热板蹼的吸热板可以大大降低成呜本。虽然铝的导热性能不及│铜，但在材料很薄的情况洧下并不影响整体效果．这种怒新的组合也是金属管板式集Ω热板的发展趋势。然而，蔫铜铝属于不同种金属，它们呀之间存在电极电势差，铜筇的线膨胀系数比铝的大0．搋5倍。再加上熔点的差异、у铜铝间易形成金属间化合艨物等原因．容易引起铜铝接头电化学腐蚀，同时铜铝锛变形不一致也容易产生裂纹薮、夹杂层或出现脆性金属间化合物等．这些缺陷将会降低接头强度。为克服铜萱一铝焊接时所出现的缺点，一般采用铜一铝压力焊。忉如摩擦焊ⅲ、超声波焊]、ぃ真空扩散焊等焊接方法．获得电气性能、抗老化性能叩、抗腐蚀性能、使用寿命都琵比较理想的焊接接头。j留iromarutsujino．tetsugiueoka等日本学者长期从ヌ事金属超声波焊接研究，对断超声波焊接过程中的一系列问题作了比较全面的探讨．柒如：频率和压力变化对焊接砺质量的影响[31，实测痃得到铜铝焊接温度超过43嵝6℃，同时对铜、铝、金专等金属的焊接性能进行了深灰入而细致的研究，认为超声巽波焊接对各种塑性良好的诡金属材料来说，只要选择合瀹适的设备和工艺参数，都树可能获得良好的焊接接头。辈jamesekrazanowski通过透射电镜洇(tem)研究焊接区域组雯织。认为金属超声波焊接掴机理是一个金属粘合的过程谏，而扩散和再结晶等物理冶檐金反应在接头成形机理中畴并不起主要作用[9]。本挡文从铜铝材料性能分析人环手，推导焊接区域温度，同樵时结合实测温度和焊接区域拖收稿日期：XX—04—⑼12：修回日期：XX—0σ7—07基金项目：广州磁市科技攻关重点项目(XX氧z3一do101)扫描高电镜图片探讨铜一铝超声波ⅹ焊接机理。1焊接试验及毪过程分析超声波焊接设备打包括：超声波发生器、换能畀器、聚能器(变幅杆)和惠工具头等，如图l所示。焊棒接参数见表1。图1超声麸波焊接设备表1焊接参数汽缸动块导轨频率功偈率工具头转速焊接压力振幅椠铝片厚度铜管厚度f／k缭hzfi，kw(r·mi庇n-‘)p／mpaa／1忐．zm占l／mmnull15344—490．4、ю30n21．0铝片一铜轧管太阳能集热板的焊后样品葶如图2所示。图2铝片一并铜管太阳能集热板焊后样品weldingtechnologyvo1．36no．5oct．XX·试验与研究·151．1材料证处理铜和铝极易在空气中芨被氧化，在光亮清洁的表面胨就已经有约200个分子传厚度的氧化膜存在，而且氧赛化膜也是由晶体组成，本我身也存在不饱和的分子，能够吸引对称性较弱的极性分眯子(如水分子、有机物分清子等)，形成一层油污和水咦气膜，这些物质的存在导野致表面凹凸不平，使材料原镟子问距离增大，难于进行焊接。1．1．1铜管表面套拉与翅化根据金属超挫声波焊接机理，对材料表面踝要求高，针对上述铜管表恩面状态，需要击碎、破坏、挖清除铜管表面油污及氧化膜埋使其暴露出纯净的金属表蟆面，主要有两步：第一步烨，铜管的表面套拉，套拉过程如图3所示。套拉方向陵图3套拉过程示意图其作用有：①全面刮削铜管表嵌面．比较彻底地破坏表面氧化膜暴露出纯净的金属表面鹪；②由于进行的是冷加工．影可以适当提高铜管硬度，疣有利于随后的焊接及增加变形抗力以保证在后续的挤压中维持圆管形状；③将铜管的直径缩口至需要的尺寸逸。第二步，利用专用工具子头，表面具有微翅结构，如雍图4a所示，在铜管表阃面预先滚压一次，进一步破砹坏和清除待焊部位的表面氧化膜。且在铜管表面加工漕出微翅结构，如图4b所示Э。(b)铜表面微翅结构│图4袭面有微翅结构的工溲具头及其预滚压铜管后形成跑的铜表面翅化结构其作用脸主要有：①增大铝片和铜管的接触面积，增加机械嵌囱合的可能性；②增大接触区ι域粗糙度，增大摩擦，增加莲析热量，从而形成局部颈高温，有利于焊