超声波焊接中焊接参数对焊点质量影响简述.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 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、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、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