王錫嶺，劉 馳，許祥平，楊少偉

(1.江蘇省交通技師學(xué)院 航空工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212019;2.江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著航空航天，汽車(chē)制造，電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，銅與鋁異種金屬的復(fù)合構(gòu)件得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。但是由于銅與鋁在物理與化學(xué)性能方面存在著較大的差異，容易在焊接接合界面處產(chǎn)生間隙、裂紋等缺陷以及脆性的金屬間化合物，極大地降低了焊接接頭的力學(xué)性能，加大了銅-鋁異種焊接的困難[3]。目前，銅-鋁異種金屬的焊接得到國(guó)內(nèi)外焊接工作者的廣泛關(guān)注。銅-鋁異種金屬焊接的相關(guān)研究集中在釬焊[4]、激光焊[5]、攪拌摩擦焊[6-7]、超聲波焊接[8-10]等。

超聲波焊接(Ultrasonic welding)是一種固態(tài)焊接技術(shù)，它是通過(guò)超聲波的高頻振動(dòng)，在靜壓力的作用下，將超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為待焊工件之間的變形功與摩擦熱，從而使工件進(jìn)行可靠連接的一種焊接方法。與其他焊接工藝相比，其焊接時(shí)間短、能量輸入少、工件薄等優(yōu)點(diǎn)使該焊接工藝更加高效，從而可以節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率[11-12]。這些特點(diǎn)使得該技術(shù)適用于銅箔-鋁箔異種金屬的焊接。資料顯示，目前多數(shù)研究集中在超聲波焊接工藝方面，對(duì)于接頭顯微組織演變及超聲波焊接成型機(jī)制方面的研究還很缺乏[13-17]。本項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)銅-鋁異種金屬超聲波焊接工藝，并通過(guò)高速攝影方法實(shí)時(shí)監(jiān)控超聲波焊接過(guò)程，探討超聲波焊接過(guò)程中工件位移波動(dòng)，為銅-鋁異種金屬超聲波焊接的生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用200 μm厚的純鋁箔與200 μm厚的純銅箔進(jìn)行超聲波焊接試驗(yàn)，設(shè)備為深圳市斯特機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的UM-40 kHz超聲波金屬焊接機(jī)，其超聲頻率為40 kHz，最大輸出功率為1 500 W。超聲波焊接原理如圖1。焊接前對(duì)金屬進(jìn)行機(jī)械打磨以便去除金屬表面氧化膜，用酒精清洗并進(jìn)行表面干燥。將焊接材料切割成50 mm×10 mm的矩形薄片，采用搭接的方式進(jìn)行焊接，焊點(diǎn)尺寸為6 mm×2 mm，鋁箔置于銅箔上方，焊縫裝配如圖2所示。

圖1 金屬超聲波焊接原理圖Fig.1 Schematic diagram of metal ultrasonic welding

圖2 試樣搭接尺寸及焊縫裝配圖Fig.2 Lap dimensions of the test specimen and assembly drawing of the weld

采用單因素試驗(yàn)研究焊接參數(shù)(焊接壓力、焊接振幅、焊接時(shí)間)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響。采用艾德堡HP-500數(shù)顯測(cè)力計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸力測(cè)試，以接頭破斷拉伸力衡量焊接質(zhì)量，從而選擇出最優(yōu)參數(shù)組合。采用VHX-900超景深數(shù)碼顯微鏡、能譜儀、掃描電鏡等測(cè)試手段，分析銅-鋁超聲波焊接接頭的微觀組織。利用德國(guó)Optronis公司生產(chǎn)的CP80-3-M-540高速攝影系統(tǒng)觀察銅箔-鋁箔超聲波焊接過(guò)程中工件的位移波動(dòng)、金屬顆粒飛濺情況，對(duì)比分析焊接過(guò)程中工件的細(xì)微變化規(guī)律，從而構(gòu)建焊接質(zhì)量與焊接過(guò)程的相互關(guān)系，以此研究超聲波焊縫成型機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成型機(jī)制

采用高速攝影的方法，通過(guò)分析銅箔-鋁箔超聲波焊接過(guò)程中工件的細(xì)微變化情況，發(fā)現(xiàn)超聲波焊接可以分為如下幾個(gè)過(guò)程：初始接觸過(guò)程，摩擦產(chǎn)熱過(guò)程，焊接軟化過(guò)程，固相結(jié)合過(guò)程與過(guò)焊過(guò)程。

1)初始接觸過(guò)程：超聲波焊接過(guò)程的初始階段，在焊接壓力的作用下，兩個(gè)待焊工件形成緊密接觸，之后由于上聲極的超聲振動(dòng)使得聲極與上焊件之間產(chǎn)生一定的摩擦熱而造成短暫的連接，從而將超聲振動(dòng)傳遞到待焊工件的接觸面上，如圖3所示。高速攝影過(guò)程中，觀測(cè)到焊接接觸界面局部區(qū)域發(fā)生細(xì)微波動(dòng)現(xiàn)象，并且隨著焊接過(guò)程的不斷進(jìn)行，細(xì)微波動(dòng)區(qū)域不斷擴(kuò)大。

圖3 銅箔-鋁箔超聲波焊接過(guò)程界面細(xì)微波動(dòng)Fig.3 Small fluctuations in the interface between copper foil and aluminum foil during ultrasonic welding

2)摩擦產(chǎn)熱過(guò)程：超聲波焊接過(guò)程中，由超聲振動(dòng)引起的待焊工件之間的相對(duì)摩擦是由初期個(gè)別凸點(diǎn)之間的摩擦逐漸擴(kuò)大到面摩擦，在此期間，金屬表面氧化膜等雜質(zhì)被破碎并分散到材料內(nèi)部。圖4是銅-鋁超聲波焊接摩擦產(chǎn)熱過(guò)程的高速攝影，隨著摩擦過(guò)程的不斷進(jìn)行，焊接接觸界面細(xì)微波動(dòng)區(qū)域由個(gè)別區(qū)域逐漸擴(kuò)大到整個(gè)焊接有效接觸面。焊接初期的連接點(diǎn)較少，結(jié)合強(qiáng)度不高。這一過(guò)程的主要作用是排除金屬表面氧化膜等雜質(zhì)，從而使純凈的金屬暴露出來(lái)，利于原子擴(kuò)散與金屬鍵合過(guò)程。

圖4 銅箔-鋁箔超聲波焊接摩擦產(chǎn)熱過(guò)程高速攝影Fig.4 High-speed photography of copper foil-aluminum foil ultrasonic welding friction heat generation process

3)焊接軟化過(guò)程：銅-鋁超聲波焊接結(jié)合界面軟化過(guò)程高速攝影如圖5所示，在超聲振動(dòng)的往復(fù)摩擦過(guò)程中，待焊工件接觸界面溫度迅速升高，產(chǎn)生大量塑性變形，熱力作用不斷加劇，導(dǎo)致箔材產(chǎn)生一定程度的軟化。待焊工件之間的相對(duì)位移急劇增加，上焊件焊接外部區(qū)域向上翹起。由于摩擦產(chǎn)熱導(dǎo)致的材料軟化與大量塑性變形使得焊接界面部分區(qū)域產(chǎn)生連接。

圖5 銅箔-鋁箔超聲波焊接軟化過(guò)程高速攝影Fig.5 High-speed photography of the softening process of copper foil-aluminum foil ultrasonic welding

4)固相結(jié)合過(guò)程：隨著摩擦的不斷進(jìn)行，待焊工件表面的氧化膜去除后，焊接界面微觀接觸面積不斷增大。銅-鋁超聲波焊接固相結(jié)合過(guò)程高速攝影如圖6所示，該過(guò)程焊接工件的相對(duì)位移較小，焊接界面連接區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)。在焊接靜壓力與超聲振動(dòng)的共同作用下，焊接界面結(jié)合點(diǎn)與結(jié)合面積逐漸增加。當(dāng)銅-鋁之間的結(jié)合力超過(guò)振動(dòng)切向力時(shí)，便能形成牢固的接頭。固相連接過(guò)程后期階段，焊接界面連接區(qū)域的波動(dòng)基本消失，結(jié)合區(qū)域比較平靜。

圖6 銅箔-鋁箔超聲波焊接固相結(jié)合過(guò)程高速攝影Fig.6 High-speed photography of solid phase bonding process of copper foil-aluminum foil ultrasonic welding

5)過(guò)焊過(guò)程：如果在銅-鋁超聲波焊接最佳連接過(guò)程之后繼續(xù)焊接，焊接結(jié)合界面塑性變形過(guò)于強(qiáng)烈，材料軟化程度加劇從而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降。在此過(guò)程中，由于過(guò)高的焊接能量導(dǎo)致材料減薄，因此在高速攝影圖像中觀察到焊接工件相對(duì)位移再次發(fā)生了細(xì)微波動(dòng)。

2.2 焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

超聲波焊接的主要參數(shù)有：焊接振幅A、振動(dòng)頻率f、焊接壓力F與焊接時(shí)間t，此外還應(yīng)該考慮各個(gè)參數(shù)之間的相互影響。通過(guò)大量試驗(yàn)，得出大致的參數(shù)范圍為：焊接振幅20 μm～40 μm，焊接壓力0.10 MPa～0.30 MPa，焊接時(shí)間0.02 s～0.07 s。以搭接接頭破斷時(shí)的拉伸力為拉伸強(qiáng)度性能指標(biāo)，在每組焊接工藝參數(shù)的條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)測(cè)量接頭的破斷拉伸力并取平均值。焊接接頭宏觀形貌如圖7。

圖7 焊接接頭宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of the welded joint

將焊接振幅30 μm、焊接時(shí)間0.05 s兩個(gè)參數(shù)不變，試驗(yàn)研究焊接壓力為0.10 MPa～0.30 MPa時(shí)的接頭強(qiáng)度性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，隨著焊接壓強(qiáng)增大接頭破斷拉伸力先升高、后降低，當(dāng)焊接壓力為0.20 MPa時(shí)最大拉伸力為170 N。焊接壓力的作用是通過(guò)聲極使得超聲振動(dòng)能量能夠有效地傳遞給焊件。當(dāng)壓力較小時(shí)，不足以在兩焊件界面產(chǎn)生一定的摩擦功，超聲波幾乎沒(méi)有被傳遞到焊件上，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件表面之間的相對(duì)滑動(dòng)上，這種情況不利于兩焊件界面的結(jié)合，接頭質(zhì)量也就不高。隨著焊接壓力增加，改善了振動(dòng)的傳遞條件，金屬表面的摩擦力也相應(yīng)增加，焊縫區(qū)域溫度升高，焊件材料的變形抗力下降，塑性流動(dòng)進(jìn)一步加劇，隨著塑性變形的面積增加，焊接接頭強(qiáng)度增加。但是當(dāng)焊接壓力過(guò)高時(shí)，振動(dòng)能量不能被合理利用，摩擦力過(guò)大，焊件之間的相對(duì)摩擦減弱，甚至?xí)沟谜穹兴档?，?dǎo)致焊接質(zhì)量下降。

圖8 焊接壓力對(duì)接頭破斷拉伸力的影響Fig.8 Influence of welding pressure on tensile force of joint fracture

將焊接壓力0.20 MPa、焊接時(shí)間0.05 s兩個(gè)參數(shù)保持不變，試驗(yàn)研究焊接振幅為20 μm～40 μm時(shí)搭接接頭的拉伸性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，隨著焊接振幅的增加，拉伸力先增加，在振幅30 μm時(shí)獲得峰值160 N；當(dāng)振幅進(jìn)一步增加時(shí)，接頭強(qiáng)度反而下降。超聲波焊接中傳遞的是橫波，振幅越大，超聲振動(dòng)在被焊金屬表面的運(yùn)動(dòng)行程則相應(yīng)越大，進(jìn)而會(huì)使更多的金屬吸收超聲振動(dòng)的能量。因此，焊接振幅越大，超聲波焊接的區(qū)域面積就會(huì)越大，從而使焊接接頭的力學(xué)性能得以提升。然而，當(dāng)振幅過(guò)大時(shí)，由上聲極傳入到焊件的振動(dòng)剪力超過(guò)了它們之間的靜摩擦力，導(dǎo)致上聲極與工件之間產(chǎn)生大量熱量且嵌入至上焊件中，降低結(jié)合截面有效橫截面積；另外，過(guò)大的振幅還會(huì)導(dǎo)致界面結(jié)合不完整，容易出現(xiàn)空隙與裂紋等缺陷。

圖9 焊接振幅對(duì)接頭破斷拉伸力的影響Fig.9 Effect of welding amplitude on tensile force of joint fracture

在焊接壓力0.20 MPa、焊接振幅30 μm不變的情況下，試驗(yàn)研究焊接時(shí)間0.02 s～0.07 s對(duì)銅箔-鋁箔接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果如圖10所示，焊接接頭破斷拉伸力隨著焊接時(shí)間的增加而增大，在0.05 s時(shí)達(dá)到最大值200 N；隨后隨著焊接時(shí)間增加，拉伸力有下降的趨勢(shì)。焊接時(shí)間對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有較大的影響，當(dāng)焊接時(shí)間過(guò)短時(shí)，結(jié)合界面金屬表面氧化膜清除不充分，接觸面積較小，接頭強(qiáng)度過(guò)低，甚至不能形成完整接頭。隨著焊接時(shí)間增加，接頭強(qiáng)度迅速增加。但是時(shí)間過(guò)長(zhǎng)情況下焊接熱輸入量過(guò)大，塑性區(qū)變大，上聲極陷入上焊件中，降低了焊接件有效結(jié)合面積，還容易在焊點(diǎn)表面與內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

圖10 焊接時(shí)間對(duì)接頭破斷拉伸力的影響Fig.10 Effect of welding time on tensile force of joint fracture

2.3 焊接接頭微觀分析

采用工藝參數(shù)為焊接壓力0.20 MPa、焊接振幅30 μm，焊接時(shí)間分別為0.03 s、0.04 s、0.05 s、0.06 s所獲得的焊接接頭進(jìn)行微觀分析，如圖11所示。

圖11a是焊接時(shí)間為0.03 s，焊接界面存在較多未連接區(qū)域，有效焊縫長(zhǎng)度較小，此時(shí)焊點(diǎn)并不牢固，接頭質(zhì)量不高。

圖11b是焊接時(shí)間為0.04 s，未連接區(qū)域明顯減小，有效焊縫長(zhǎng)度增加；此時(shí)接頭破斷拉伸力為130 N，大約是焊接時(shí)間為0.03 s時(shí)的216%；拉伸試樣結(jié)合處銅基體上有分散的鋁顆粒。

圖11c是焊接時(shí)間為0.05 s，界面焊縫連續(xù)，幾乎沒(méi)有未連接區(qū)域存在，銅-鋁之間形成了有效的結(jié)合。界面處的機(jī)械嵌合有利于增加界面有效結(jié)合長(zhǎng)度，促進(jìn)原子擴(kuò)散，形成牢固接頭，此時(shí)焊接接頭的破斷拉伸力達(dá)到最大值200 N；拉伸試樣斷裂處試樣變形較大，說(shuō)明此時(shí)焊接接頭結(jié)合的致密程度比較高，接頭較為牢固，同時(shí)發(fā)現(xiàn)從鋁基材上撕扯下來(lái)的鋁材量顯著增加。

圖11d是焊接時(shí)間為0.06 s，無(wú)未連接區(qū)域，焊縫有效長(zhǎng)度達(dá)到最大值，從拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該焊接時(shí)間下的接頭質(zhì)量不是最高，接頭斷裂形式為紐扣斷裂(試樣中鋁是從母材上撕裂開(kāi)來(lái)的)。這是因?yàn)椋附訒r(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，焊接熱輸入量進(jìn)一步提高，材料軟化現(xiàn)象明顯，在結(jié)合界面的連接區(qū)域與未連接區(qū)域分界線上存在明顯的應(yīng)力集中，當(dāng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，未連接區(qū)域的拉伸載荷由單一材料承受，是連接區(qū)域的一半，所以在界面連接邊緣處發(fā)生紐扣斷裂。

圖11 采用不同焊接時(shí)間獲得的接頭微觀形貌Fig.11 Microstructure of joints obtained at different welding time

從焊接接頭界面處的微觀形貌(圖12)同樣可知，隨著焊接時(shí)間的增加，焊接界面的結(jié)合越來(lái)越緊密，未連接區(qū)域也越來(lái)越小。隨著焊接時(shí)間從0.03 s增加到0.05 s，焊縫結(jié)合界面未連接區(qū)域顯著減少，有效連接長(zhǎng)度增加，從而使接頭質(zhì)量大幅度提升，接頭拉伸強(qiáng)度增加。

對(duì)圖12b中所選區(qū)域L進(jìn)行線掃描，用以測(cè)定銅、鋁兩種元素沿該直線的分布情況，結(jié)果如圖13所示，銅與鋁在焊接過(guò)程中形成了金屬擴(kuò)散層，在界面附近發(fā)生了明顯的原子擴(kuò)散現(xiàn)象。銅-鋁結(jié)合界面附近沒(méi)有出現(xiàn)平穩(wěn)的臺(tái)階，這說(shuō)明銅-鋁焊接界面處可能不存在金屬間化合物。銅箔-鋁箔超聲波焊接過(guò)程中，焊接界面氧化層被超聲振動(dòng)破壞并分散到鋁基體中。此外，還觀察到鋁基體中存在顆粒破碎和銅彌散現(xiàn)象，這與超聲波焊接過(guò)程中由于銅鋁界面處大量的摩擦導(dǎo)致銅表面的部分顆粒與銅基體完全分離有關(guān)。在超聲波焊接過(guò)程中，通過(guò)摩擦產(chǎn)熱與結(jié)合界面處的塑性變形與塑性流動(dòng)，軟化的鋁基體中產(chǎn)生機(jī)械混合，從而將破碎的氧化物和銅顆粒轉(zhuǎn)移到鋁基體中。因此，大多數(shù)氧化鋁層從鋁/銅區(qū)域去除，從而使得潔凈的金屬界面暴露出來(lái)，銅與鋁之間的超聲波焊接區(qū)域便優(yōu)先從鋁氧化層被去除的區(qū)域中形成。

圖12 不同焊接時(shí)間下接頭表面微觀形貌Fig.12 Microstructure of joint interface at different welding time

圖13 焊接接頭界面擴(kuò)散EDS線掃描Fig.13 EDS line scan of interface of welded joint

3 結(jié) 論

1)銅箔-鋁箔超聲波焊接中焊接壓力、焊接振幅、焊接時(shí)間對(duì)接頭性能影響很大，這三個(gè)參數(shù)過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使焊接接頭強(qiáng)度降低。利用單因素試驗(yàn)方法，確定了最佳工藝參數(shù)組合為焊接壓力為0.20 MPa，焊接振幅固定為30 μm，焊接時(shí)間為0.05 s時(shí)，接頭破斷拉伸力達(dá)到最大值200 N。

2)保持焊接壓力和振幅不變，隨著焊接時(shí)間的增加，銅箔-鋁箔焊接接頭有效連接長(zhǎng)度增加，接頭強(qiáng)度增加；進(jìn)一步增加焊接時(shí)間，銅-鋁接頭有效連接長(zhǎng)度沒(méi)有明顯變化，接頭強(qiáng)度下降。

3)超聲波焊接可以分為幾個(gè)過(guò)程：初始接觸過(guò)程,摩擦產(chǎn)熱過(guò)程,焊接軟化過(guò)程,固相結(jié)合過(guò)程及過(guò)焊過(guò)程。由于焊接界面強(qiáng)烈的升溫使得此區(qū)域產(chǎn)生微波動(dòng)現(xiàn)象。