超声波金属焊接质量实验研究 1.引言熔焊焊接工艺例如电阻焊

1.引言
熔焊焊接工艺例如电阻焊接和激光焊接，在焊接较薄的相似或者不同材料时面临一些问题。超声波金属焊接是一种压焊焊接工艺，即利用高频振动和压力，在材料焊缝界面不需要熔化而形成连接，克服了熔焊焊接工艺面临的问题。
超声波金属焊接是一种高效率的连接小部件的焊接工艺，例如金属丝的引线键合、多层极耳焊接、线束焊接等，也能够连接一些较厚的金属薄板，这取决于焊接条件和参数的设置。本文针对特定的焊接设备和焊头条件下，用不同参数做一系列实验并进行撕拉力测试。通过控制振幅来提高焊接强度和质量，减少外观问题。采用光学显微镜和扫描电子显微镜对焊缝质量进行研究。
熔焊焊接：加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助，它是适合各种金属和合金的焊接加工，不需压力。焊接焊缝接触面是液态和液态。
压焊焊接：在加热或不加热状态下对组合焊件施加一定压力，使其产生塑性变形或融化，并通过再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子达到形成金属键而连接的焊接方法。焊接焊缝接触面是固态和固态。
2.超声波金属焊接
超声波金属焊接是一种压焊焊接工艺。焊接过程中，多层材料在纵向压力下紧密贴合，同时施加横向的高频剪切振动。振动过程中，材料压缩变形，剪切运动去除表面凸起，清除表层氧化物和污染物，增加了焊接件之间的接触面积。
超声波金属焊接最早出现在1950年代初，当时仅用于晶粒细化和固化，但现在该技术可应用于各种软、硬金属的连接。相比较其它焊接设备，超声波焊接设备体积小、重量轻，通用性强。另外焊接过程不需要任何辅料，生产效率高，环境友好。因此，超声波焊接已经成为许多工业领域和科学研究应用认可且广泛使用的一种高效连接技术。
超声波焊接系统由电源、换能器、调幅器、焊头、底座和机架组成。下图是一个典型的超声波金属焊接系统简图。
图1超声波金属焊接系统
在这次研究中，为了提高焊缝的焊接缝度和质量，进行了两项研究：(1)焊头设计分析和焊嘴振幅测试；(2)焊接参数的试验研究。焊接强度通过对焊接件进行撕拉力测试评定。焊接质量通过对变形表面进行显微观察评定。考虑到现场人员的实用性，这里省略了焊头设计分析和焊嘴振幅测试部分（该部分的分析和检测报告由设备/模具供应商提供），重点介绍了不同焊接参数下的实验研究结果，为现场工程师参数调整提供指导。
3.焊接实验
3.1实验设置
采用20.8Khz的1KW超声波电箱，焊头和换能器组件通过MountingHolder连接到机架上(MachineHolder) ，如图2 。机架上方安装2kN的压力传感器测量焊接压力。焊头焊嘴和底座上带滚花，见图3 。焊接样件采用铝和铜条，尺寸50X10mm ，厚度0.1-0.5mm 。两个金属条重叠区域10X10mm ，是超声波焊接区域，焊点直径6mm ，见图4 。每组参数焊接5件做撕拉力测试，记录均值和标准偏差。材料组合有：AL-AL ， Cu-Cu ， AL-Cu ， Cu-AL 。

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图2实验装置

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图3焊头上焊嘴和底座滚花

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图4金属条尺寸和焊点外观
3.2分段振幅
生产现场大都采用恒定振幅，即在整个焊接过程中振幅保持不变。还有另一种选择，分段振幅。两段振幅切换可通过时间、位置、功率、或者能量来触发。有一种做法，在焊接开始采用较高振幅，促使焊缝界面以更高速度进行表面“擦洗” ，在紧密接触的表面建立固态焊接。然后降低振幅，以减少摩擦生热和软化程度，避免过度剪切损伤金属薄片。本实验采用分段振幅进行了一系列实验，研究了振幅与焊接强度和质量的关系
3.3实验结果--相同材料焊接强度
不同振幅和焊接压力下， AL-AL和Cu-Cu焊接强度见图5-图6 。 Al和Cu材料厚度0.1mm 。每组参数下测试5件撕拉力，图中的每个Errorbar表示5个测试件的撕拉力标准偏差。结果表明：
焊接压力增加，焊接强度增加。这里需要说明的是，过大压力导致摩擦力过大，抑制接触面相对运动，导致焊接强度降低。