超聲波焊接中焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響

1、超聲波焊接參數(shù)對(duì)不同焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性質(zhì)的影響摘要超聲波點(diǎn)焊技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)融化焊接技術(shù)在應(yīng)用上的便利，讓其在過(guò)去數(shù)年間獲得了巨大的關(guān)注。不同的鋁與不銹鋼合金之間的熔焊始終是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),因?yàn)閷?duì)焊滴大小的糟糕控制以及焊接金屬中形成不需要的脆性金屬間化合物，并且還會(huì)對(duì)機(jī)械性質(zhì)產(chǎn)生有害的影響。以前,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不同合金之間焊接方法有電子束焊接,激光焊接和攪拌摩擦點(diǎn)焊,電阻點(diǎn)焊等。但是，很少有報(bào)道關(guān)于不同鋁與不銹鋼合金之間的焊接使用超聲波點(diǎn)焊技術(shù)。目前工作的目標(biāo)是優(yōu)化超聲波點(diǎn)焊機(jī)參數(shù)來(lái)焊接3003的鋁合金與304不銹鋼。焊接在不同的合模壓力（例如30、40、50和60 psi）以及能量水平下進(jìn)行

2、，并以此來(lái)調(diào)查壓力與能量對(duì)金屬微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性質(zhì)以及節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的影響。例如：“焊接不足”、“好焊”與“過(guò)度焊接”的定義利用了不同焊接參數(shù)情況下的焊接的物理屬性。利用125焦耳和150焦耳能量制作焊接樣本顯示了最大粘結(jié)強(qiáng)度，并且被劃定為“好焊”，同樣還揭露對(duì)于高質(zhì)量的焊接,最大抗拉強(qiáng)度依靠合理規(guī)模的結(jié)點(diǎn)密度與材料變薄(形成冶金結(jié)點(diǎn)之所需)獲得的。1、前言超聲波點(diǎn)焊（USW）在不同的行業(yè)，例如電氣、電子2以及特別是汽車(chē)行業(yè)3，對(duì)于不同（材料）之間的焊接被熟知為固態(tài)的連接處理1。這種連接技術(shù)避免了與熔化焊接相關(guān)的一般問(wèn)題，比如快速形成金屬間化合物、脆性階段的演變以及焊接部分的變形2。此外，超聲波焊接并

3、不需要任何填充和焊接材料4。超聲波技術(shù)在金屬中產(chǎn)生焊點(diǎn)并保持金屬固態(tài)狀態(tài)不需要融化以及可塑部分的融合5。因此超聲波點(diǎn)焊技術(shù)適用于有色軟金屬及其合金,如銅、鋁、黃銅、金和銀5。超聲波點(diǎn)焊的金屬例如鋼、鈦、鎳以及其多樣化的不同組合如Al /鋼鐵、金屬/陶瓷、金屬/玻璃、鋁/銅，在文獻(xiàn)6,7中也有論述。在超聲波點(diǎn)焊中，好的焊接結(jié)點(diǎn)甚至是薄片需要更高的能量8，以往，不同合金之間的焊接可以通過(guò)束焊接9,激光焊接10和攪拌摩點(diǎn)焊法11,電阻點(diǎn)焊12等方法實(shí)現(xiàn)。但是，很少有報(bào)道關(guān)于不同鋁與不銹鋼合金之間的焊接使用超聲波點(diǎn)焊技術(shù)。超聲波金屬焊接首次被介紹是在1950年應(yīng)用于線路焊接、管焊接、薄金屬箔片焊接13

4、。這種技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊法（RSW）用相對(duì)少的能量，對(duì)于RSW，結(jié)點(diǎn)一般是在相對(duì)較低的溫度（大約300）較短的焊接周期（<0.5s）條件下形成的14。對(duì)于超聲波點(diǎn)焊楔形簧片以及橫向獲取系統(tǒng)配置一般是需要用到的。在這兩個(gè)系統(tǒng)中通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換的電能，并產(chǎn)生頻率相同的剪切振動(dòng)，然后這種頻率傳遞到置于恒定夾緊力下的工件。高頻剪切振動(dòng)（一般20KHZ）帶有消除氧化物和污染物層以及產(chǎn)生剪切變形的附帶影響。隨著溫度的身高發(fā)生軟化并且吸收聲能降低了材料的屈變力。這導(dǎo)致開(kāi)始時(shí)金屬彼此相連并且產(chǎn)生粘附。同樣在兩金屬交界面也會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散5，在超聲波點(diǎn)焊過(guò)程中有幾個(gè)焊接機(jī)理，包括由塑性變形、焊接交界面的擴(kuò)散、

5、摩擦生熱產(chǎn)生的融化、交界面化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械咬合產(chǎn)生的冶金附著力1。盡管由于這些焊接的機(jī)理，但是對(duì)于焊接機(jī)理任然是不清楚的并且到目前為止存在爭(zhēng)議。幾乎沒(méi)有研究針對(duì)鋁與其他金屬如Al -銅、Al-Au 、Al-Fe之間的連接，甚至連鋼的焊接都很少15。雖然，對(duì)于USW的焊接質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有建立，但是一些研究已經(jīng)開(kāi)始確定超聲波焊接結(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，例如：打算將電阻點(diǎn)焊法中用以質(zhì)量評(píng)估的表面檢測(cè)法用于超聲波點(diǎn)焊17。Kong等人 18、和Yang等人19建議“線性焊接密度（LWD）”作為結(jié)點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。Hetrick等人13描述幾種焊點(diǎn)橫截面的微觀結(jié)構(gòu)特征來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)制造業(yè)中超聲波金屬焊接的過(guò)程參數(shù)。 Ba

6、kavos 和 Prangnell20分析了超聲波點(diǎn)焊法中鋁合金焊點(diǎn)形成的微觀將結(jié)構(gòu)。Zhou等人發(fā)展了針對(duì)焊接樣品的有限元分析模型21，這種模型根據(jù)兩種截然不同的失效模式：超聲波金屬焊點(diǎn)的拉伸破裂與內(nèi)部界面破裂，來(lái)預(yù)測(cè)超聲波金屬焊點(diǎn)的性能。Kim等人22，利用導(dǎo)電材料，例如copper-plated,鍍鎳銅，產(chǎn)生超聲波金屬焊點(diǎn)，并且通過(guò)確定在T-peel測(cè)試中的失效模式發(fā)展了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。雖然，這些研究已經(jīng)被用來(lái)確定超聲波焊點(diǎn)的質(zhì)量，但是這些研究中沒(méi)有一種確定了物理屬性與焊點(diǎn)性能之間簡(jiǎn)單的聯(lián)系。Zhou等人23，建議可以測(cè)到的物理屬性可能影響焊點(diǎn)的性能。這一觀點(diǎn)最近被Lee等人16用到，來(lái)描繪敷

7、鋰銅片，在這個(gè)研究中，試圖努力優(yōu)化超聲波點(diǎn)焊參數(shù)來(lái)連接3003鋁和304不銹鋼（304SS）。為了更深的理解超聲波點(diǎn)焊的機(jī)理，從質(zhì)量和數(shù)量的角度對(duì)焊點(diǎn)復(fù)雜的特征做了描述。2、理論背景超聲波點(diǎn)焊系統(tǒng)包括五個(gè)主要的部分，(i)供電部分，電源提供高頻（一般20kHz）的電能，(ii)壓電轉(zhuǎn)換器，將電能轉(zhuǎn)換成相同頻率的線性機(jī)械振動(dòng)，(iii)放大器，放大機(jī)械振動(dòng)幅度，(iv)超聲波發(fā)生器，進(jìn)一步放大機(jī)械振動(dòng)的幅度，(v)氣缸，提供焊接時(shí)夾緊壓力20， USW使用兩個(gè)系統(tǒng)，即楔形簧片和橫向獲取系統(tǒng)，在楔形簧片系統(tǒng)中因?yàn)槭菑澢饶Ｐ退詫?duì)于參數(shù)的準(zhǔn)確控制是不可能的，通過(guò)簧片機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換到工件的振動(dòng)。在這個(gè)

8、系統(tǒng)中，鐵砧有時(shí)作為一個(gè)振動(dòng)部分，因?yàn)橄辔缓突善a(chǎn)生共振，這就是為什么楔形簧片系統(tǒng)對(duì)于焊接很厚的片更有用。另一方面，橫向獲取系統(tǒng)簡(jiǎn)單并且允許焊接參數(shù)通過(guò)換能器被測(cè)到，對(duì)于硬度較低薄片比較有用，可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型之間的焊接比如線、縫、環(huán)形，但焊接結(jié)點(diǎn)布置更適合這種配置。因此，在這個(gè)研究之中典型的結(jié)點(diǎn)配置（圖2）是利用橫向獲取系統(tǒng)產(chǎn)生。在超聲波點(diǎn)焊法中，頻率、振動(dòng)幅度、吸附力、功率、能量以及時(shí)間是相互聯(lián)系的主要過(guò)程參數(shù)，超聲波點(diǎn)焊設(shè)備可達(dá)到的頻率范圍在1575kHz之間，其中，20kHz是最常用的，在這個(gè)頻率（20kHz）有很高的應(yīng)變速率（103-105/s），并且修整焊接樣品之間微米級(jí)的粗糙表面時(shí)

9、在局部會(huì)很快形成張力24。Bates等人25 ，、在理論上計(jì)算了剪切應(yīng)變速率可利用以下關(guān)系： r'=2fAh0 此公式中f代表頻率，h0代表超聲波發(fā)生器之間焊接板片的厚度減少量，A代表USW設(shè)備的振動(dòng)幅度。振動(dòng)幅度是最重要的過(guò)程參數(shù)，并且它與功率以及升壓設(shè)備或超聲波發(fā)生器提供的增益有關(guān)。由USW產(chǎn)生的振幅范圍在3060um20，能量輸入域振動(dòng)幅度之間的關(guān)系可由以下關(guān)系給出24： EA2 （2）應(yīng)用于焊接表面的靜態(tài)壓力依靠的是焊接端點(diǎn)以及由氣動(dòng)氣壓缸調(diào)節(jié)的吸附力，臨界吸附力要求產(chǎn)生焊接表面的緊密連接。一般來(lái)說(shuō)，巨大的變形是系統(tǒng)的大功率產(chǎn)生高吸附力的結(jié)果，另一方面，吸附力不足產(chǎn)生焊接表面滑

10、動(dòng)或者粘連，導(dǎo)致焊接表面過(guò)熱，進(jìn)而設(shè)備損壞26。最大的功率用來(lái)產(chǎn)生超聲波穿透系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)控制焊接周期中保持超聲波堆棧運(yùn)動(dòng)所需功率大小，這個(gè)系統(tǒng)控制改變焊接時(shí)間來(lái)滿(mǎn)足不同的能量標(biāo)準(zhǔn)。直到達(dá)到令人滿(mǎn)意的能量標(biāo)準(zhǔn)以及完成焊接周期。因此，焊接時(shí)間主要是由功率和能量大小決定，其關(guān)系可表示為以下關(guān)系式： E=P* t （3）此公式中，E代表能量，P代表功率 以及t代表時(shí)間，在目前前工作中，各種不同的吸附力的作用，例如：在不同的能量標(biāo)準(zhǔn)下使用30、40、50以及60psi來(lái)焊接3003鋁和SS合金的薄片。3、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)超聲波焊接點(diǎn)是利用2.4kW的超聲波點(diǎn)焊機(jī)使用300um厚的3003鋁合金薄片和50um厚

11、的304SS合金薄片產(chǎn)生，系統(tǒng)原理圖見(jiàn)于圖1，一個(gè)尺寸為8x6mm的焊嘴和超聲波發(fā)生器相連，其中只有一種模式會(huì)在所有實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，因?yàn)椴煌哪Ｊ綄?duì)于焊接力量影響不同27。樣品按照平行于滾動(dòng)方向切割為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格25x100mm2，并且焊接表面有25mm的重疊，不需要清潔也不需要預(yù)先處理。超聲波點(diǎn)焊的振動(dòng)方向垂直于薄片的滾動(dòng)方向，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中超聲波振動(dòng)的幅度范圍在58um左右。這個(gè)超聲波電焊機(jī)可獲得的最大功率是2.4kW，這個(gè)功率在整個(gè)過(guò)程中保持穩(wěn)定。焊接的能量根據(jù)不同的吸附力在75200焦耳之間變化，例如吸附力為30、40、50或60psi，為了評(píng)價(jià)焊接結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，利用MTS831.10彈塑性計(jì)檢測(cè)系

12、統(tǒng)對(duì)每種焊接情況的焊點(diǎn)進(jìn)行拉伸測(cè)試。使用一個(gè)5kN的負(fù)載來(lái)避免固定置換速率1mm/min下產(chǎn)生的不必要的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，使用Leco VC-50精密金剛石切割工具將焊點(diǎn)進(jìn)行切片。為避免熱效應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)切片的試件冷安裝兩個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂組件。對(duì)安裝有組件的試件使用碳化紙拋光至800粒度大小，然后用金剛石打磨至1um，進(jìn)一步用硅膠處理到0.05um，用顯微鏡查看，樣品在室溫條件下在腐蝕溶液（100mL水，4克高錳酸鉀，1克氫氧化鈉）中被侵蝕，圖片是通過(guò)Olympus GX 51光學(xué)顯微鏡獲得的。維氏硬度測(cè)量是在整個(gè)焊點(diǎn)拋光表面進(jìn)行的，同樣也在低于表面1mm的不同的位置進(jìn)行測(cè)量，使用的是Leco

13、MA 100硬度檢測(cè)設(shè)備，其負(fù)載為25克。圖1圖2圖34、結(jié)果與討論4.1、剪切測(cè)試在圖3之中，描繪了對(duì)于焊點(diǎn)樣片最大的拉伸負(fù)載相對(duì)于2.4kW恒定功率下四種不同吸附力的關(guān)系?？梢栽?0和60psi的吸附力條件下觀察到幾乎相似的趨勢(shì)，結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度在能量升到125焦耳之前時(shí)增加，然后降低。在吸附力為30psi時(shí)，結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度一直波動(dòng)直到能量上升到150焦耳，然后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在另一方面，吸附力為50psi時(shí)，結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度沒(méi)有明顯的趨勢(shì)，只是在225300牛頓之間波動(dòng)。對(duì)于更低的吸附力（30psi），需要更長(zhǎng)的時(shí)間在225焦耳能量條件下來(lái)達(dá)到拉伸強(qiáng)度的最佳效果。另一方面，對(duì)于吸附力為50psi，只需要更短的時(shí)

14、間更低能量來(lái)達(dá)到中等強(qiáng)度。此外，對(duì)于更高的吸附力（60psi），焊點(diǎn)呈現(xiàn)出相似的強(qiáng)度在更短的時(shí)間（0.14s）更低的能量（125焦耳）相較于之前的兩種情況。從這個(gè)圖中可以清楚看到在更高能量時(shí)焊點(diǎn)強(qiáng)度的降低以及吸附力的下降，這是因?yàn)樵诔暡c(diǎn)焊中更高的吸附力會(huì)導(dǎo)致高滑動(dòng)阻值產(chǎn)熱增加。因此，在可塑性工作中通過(guò)微焊以及能量消耗可以使焊接快速發(fā)生。但是，在吸附力很高的條件下，焊接表面發(fā)生粘連，焊接界面最初的變形主要是彈性變形而不是由于釋放熱量打破結(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的塑性變形29。4.2、用焊點(diǎn)屬性來(lái)描述焊點(diǎn)調(diào)查焊點(diǎn)物理屬性與焊點(diǎn)性能的關(guān)系，將光學(xué)顯微鏡和硬度測(cè)量設(shè)備應(yīng)用到切割樣片不同部分表面測(cè)量，這些樣片是在4

15、0psi吸附力以及不同焊接能量值（75200焦耳）條件下獲得的。光學(xué)顯微圖像見(jiàn)于圖4（a）-(c)，針對(duì)于不同焊接能量?？梢詮膱D4中看出沿著焊接表面存在缺口，缺乏焊點(diǎn)。例如：表面的缺口是因?yàn)槟芰康陀?5焦耳?？梢詮膱D中看出缺口隨著能量的升高變得模糊，并且材料之間更加緊密的連接在一起。隨著焊接能量的提升可以從圖中清晰地觀察到隨著焊接能量的提升鐵砧的痕跡以及超聲波發(fā)生器的增強(qiáng)，因?yàn)槟芰康倪^(guò)度輸入導(dǎo)致了材料的變形16。隨著能量的增加鐵砧痕跡加深和以前的研究是相符的284.2.1、結(jié)點(diǎn)機(jī)理在超聲波點(diǎn)焊機(jī)中，冶金附著力在整個(gè)界面上擴(kuò)散。局部的融化與機(jī)械咬合1是主要觀察的機(jī)理。用光學(xué)顯微鏡觀察用125焦耳

16、能量產(chǎn)生的焊點(diǎn)樣片，如圖5，局部的微小結(jié)點(diǎn)可以從焊接表面上觀察到。能觀察到是因?yàn)榧羟行巫兊倪B續(xù)性，在圖5中可以很明顯的觀察到這種連續(xù)性導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)連接成線16，以及因?yàn)榭伤苄宰冃螀^(qū)域擴(kuò)大而出現(xiàn)復(fù)雜的波。因此，超聲波焊點(diǎn)的強(qiáng)度是表面波以及焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)共同影響的，當(dāng)焊接能量輸入值超過(guò)了獲得好的焊點(diǎn)強(qiáng)度最優(yōu)值，焊點(diǎn)形成的線會(huì)變得很復(fù)雜，并且和一般焊點(diǎn)形成的線不同，如圖6所示，此時(shí)焊點(diǎn)形成的線看起來(lái)和順著焊接界面表面波相似，只是幅度更大16。局部的結(jié)點(diǎn)區(qū)域從超聲波焊嘴附近開(kāi)始發(fā)展，并且結(jié)點(diǎn)區(qū)域開(kāi)始在整個(gè)表面上開(kāi)始擴(kuò)散，隨著已經(jīng)軟化材料因?yàn)楹附咏缑嫔弦话愕募羟辛?jīng)受巨大的可塑性變形。因此，焊接表面上焊

17、點(diǎn)形成機(jī)理對(duì)于相同的樣品可歸結(jié)如下：(i)在焊接表面上焊點(diǎn)線的擴(kuò)散和形成， (ii)連續(xù)一般的和剪切力導(dǎo)致的沿著焊點(diǎn)線的變形， (iii)材料之間微觀結(jié)點(diǎn)的生長(zhǎng)。圖44.2.2、材料流動(dòng)對(duì)光學(xué)微觀圖像（圖4）的分析，揭示了隨著能量增加超聲波發(fā)生器的痕跡和鐵砧痕跡加深，這也和所用材料的厚度和類(lèi)型有關(guān)。結(jié)點(diǎn)模式導(dǎo)致的變形可歸結(jié)如下：(i) 超聲波發(fā)生器通過(guò)摩擦對(duì)材料表面施加剪切力，(ii)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的重復(fù)滑動(dòng)和摩擦導(dǎo)致材料表面的可塑性形變， (iii)超聲波結(jié)點(diǎn)路徑深入材料隨著材料變形區(qū)域擴(kuò)大，圖7（a）和（b）是放大的橙色和藍(lán)色矩形圖像如圖4相應(yīng)的表示，從圖7（a）中放大的圖像，可以看出材

18、料流動(dòng)只在焊嘴的局部發(fā)生，因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)平面的高應(yīng)變速率。圖8所示，結(jié)點(diǎn)路徑如何深入材料，在40psi吸附力條件下，隨著焊接能量從100增加到200焦耳，結(jié)點(diǎn)路徑在材料中越是深入、材料形變?cè)黾?。最初，痕跡侵入越來(lái)越深，然后慢慢下降最后減少，然而焊接能量在增加，這個(gè)壓痕速率解釋為：最初的深的壓痕是由存在足夠空間適應(yīng)變形的材料流動(dòng)導(dǎo)致的。但是，隨著焊接能量的增加材料流動(dòng)減少是因?yàn)闆](méi)有更多空間來(lái)適應(yīng)材料流動(dòng)，因此，在USW中材料流動(dòng)發(fā)生是因?yàn)檫^(guò)度的塑性形變，這增加了焊接表面的摩擦，但是，過(guò)度材料流動(dòng)導(dǎo)致變薄和弱化，這些對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生了負(fù)面影響16。4.2.3、加工硬化和軟化圖9（a）所示為在振動(dòng)方向有顆粒

19、結(jié)構(gòu)的3003鋁的微觀結(jié)構(gòu)，隨著超聲波點(diǎn)焊過(guò)程開(kāi)始，焊接表面由于超聲波能量的摩擦效應(yīng)而經(jīng)受剪切力，超聲波能量也產(chǎn)生塑性變形16。微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示，和低焊接能量（75焦耳）的結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)焊接能量增加接收到的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始消失，新的微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶開(kāi)始出現(xiàn)在焊接表面如圖9（c）和（d），這種結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)形成的原因連續(xù)的超聲波功率的輸入導(dǎo)致的溫度上升16，這種微觀結(jié)構(gòu)的改變和焊接材料的機(jī)械性能有聯(lián)系。從圖3，剪切拉伸強(qiáng)度的結(jié)果表示低能量值（75和100焦耳）產(chǎn)生的焊點(diǎn)，因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)對(duì)小的拉伸負(fù)載是失效的。被定義為“焊接不足”，在焊接能量為125和150焦耳條件下的焊接樣品展現(xiàn)除了最大的拉伸負(fù)載，在這

20、兒，確定表面有結(jié)晶并且這種焊接被劃分為“好焊”，在焊接能量175和200焦耳條件下產(chǎn)生的焊點(diǎn)展現(xiàn)了低強(qiáng)度，因?yàn)檐浕妥儽。@種被定義為“過(guò)度焊接”16，硬度測(cè)量?jī)x被用來(lái)確定焊接材料的硬度和變薄程度，硬度情況和焊接能量的關(guān)系圖如圖10所示，測(cè)量硬度的區(qū)域位于超聲波峰值，在這個(gè)位置預(yù)測(cè)的最高的應(yīng)變速率如圖10的插圖所示。在焊接能量75和100焦耳條件下的焊接樣片的硬度值比一般的樣品高，然后，隨著焊接能量的增加硬度下降到一般樣品的硬度值以下。這個(gè)結(jié)論是由微觀結(jié)構(gòu)分析和硬度一起得出的，體現(xiàn)了利用超聲波點(diǎn)焊的材料的可塑性行為16。圖12（a）闡述了在不同方向硬度的變化，在表面和溝槽區(qū)域，在低焊接能量時(shí)表

21、面的硬度值比溝槽區(qū)域的硬度值高，但是硬度值的差值隨著焊接能量的增加不再增加，顯微圖11（b）體現(xiàn)了延長(zhǎng)的顆粒結(jié)構(gòu)的消失，以及在焊接表面相對(duì)于溝槽區(qū)域結(jié)晶取代可塑性變形， 因此，表面的材料吸收更高的焊接能量，這展現(xiàn)了工作硬化和持續(xù)上升的溫度導(dǎo)致的軟化。如此一來(lái)，超聲波點(diǎn)焊技術(shù)像是接著熱處理之后的冷加工，這導(dǎo)致材料通過(guò)結(jié)晶過(guò)程和隨溫度連續(xù)上升的顆粒生長(zhǎng)而恢復(fù)自由形變狀態(tài)16。 圖5圖6圖7 圖8圖9圖10 圖11圖125、用物理屬性評(píng)估焊接質(zhì)量一個(gè)好的焊接應(yīng)該具有稠密的焊接結(jié)點(diǎn)而且沒(méi)有缺口和變形。在這個(gè)部分中，物理屬性，例如：結(jié)點(diǎn)稠密度和焊接后厚度與焊點(diǎn)質(zhì)量是有聯(lián)系的，并對(duì)微觀結(jié)構(gòu)分析和硬度測(cè)量等

22、物理屬性進(jìn)行討論。5.1、結(jié)點(diǎn)密度結(jié)點(diǎn)密度是一個(gè)重要的物理屬性對(duì)于評(píng)價(jià)焊點(diǎn)的性能，冶金附著力、微觀結(jié)點(diǎn)和從材料表面觀察到的結(jié)點(diǎn)線路徑的復(fù)雜波，圖13（a）-（c）光學(xué)圖像中焊接樣品上結(jié)點(diǎn)線具有不同的能量75焦耳“不足”，125焦耳“恰好”以及200焦耳“過(guò)度”。在以下焊接樣品中，順著結(jié)點(diǎn)線缺口是清晰可見(jiàn)的，但是多重結(jié)點(diǎn)區(qū)域不僅在“好焊”中找到，同樣也在“過(guò)度焊接”中找到，但是，結(jié)點(diǎn)密度在過(guò)度焊接樣品中是很高的相對(duì)于“好焊”，但是，剪切拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“好焊”的高強(qiáng)度如圖3，因此結(jié)點(diǎn)密度獨(dú)自并不具備評(píng)價(jià)USW焊接3003鋁和304SS合金之間焊點(diǎn)強(qiáng)度的作用。5.2、焊接后厚度焊接后厚度是另一個(gè)重

23、要的可能會(huì)影響超聲波焊接金屬性能的物理屬性16，焊接后厚度與焊接能量的關(guān)系如圖14所示，從圖14可以清楚地看到焊接能量增加時(shí)材料厚度降低很快直到它原本厚度的34%能量為175焦耳，并且保持或多或少在170um的固定值。這是因?yàn)樵诟吆附幽芰繒r(shí)，使得在超聲波端點(diǎn)處的溝槽區(qū)域沒(méi)有可用的空間讓材料流動(dòng)16。從圖4、13和14，可以推斷出“好焊”是在形變厚度達(dá)到它飽和厚度170um的一半。在低能量值，“焊接不足”的焊點(diǎn)（幾乎沒(méi)有結(jié)點(diǎn)區(qū)域）的形成是因?yàn)槌暡òl(fā)生器的探頭有變形的材料，最大的結(jié)點(diǎn)密度可以在變形厚度為170um的條件下達(dá)到，但是，這種方案產(chǎn)生“過(guò)度焊接”焊點(diǎn)，這種焊點(diǎn)因?yàn)闇囟仍驅(qū)е碌能浕蛊?/p>

24、具有相對(duì)較低的強(qiáng)度。5.3、硬度分布硬度測(cè)量在焊接界面內(nèi)以及沿底部板片的中心線的焊接區(qū)外進(jìn)行，如圖15（a）和（c）所示。比較焊接表面的硬度，鋸齒型缺口被制作在焊接平面尖端和溝槽區(qū)域，硬度值在這些區(qū)域有很大的不同，這是因?yàn)椴煌牧现g的連接以及焊接點(diǎn)物理彎曲。為了確定不同區(qū)域外的硬度，鋸齒形的缺口在材料底面的中心線上每間隔0.1mm制作一個(gè)，如圖15所示，硬度值的不同也描繪在圖15（c）之中，不同的硬度值可以斷定每個(gè)焊接樣品，其材料在不同方式下所經(jīng)受的硬化以及軟化。從圖15之中可以清楚看出：在低焊接能量時(shí)，硬度值在焊接區(qū)域邊界附近增加，之后和一般的焊接一樣開(kāi)始降低。在另一方面，對(duì)于增加的焊接能

25、量（超過(guò)焊接樣品），最高的硬度值從焊接區(qū)域邊界向外轉(zhuǎn)變，在一個(gè)“過(guò)度焊接”的樣品中，硬度值最初開(kāi)始下降后來(lái)開(kāi)始升高從焊接區(qū)域，最后下降到和本來(lái)的硬度值或多或少相同。焊接區(qū)域硬度值的增加是因?yàn)槔涔ぷ?，因?yàn)檠h(huán)的壓力施加到水平（以超聲波振動(dòng)的形式）和垂直（以吸附力的方式）方向16，但是，邊界處硬度值的下降是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致的軟化。硬度值下降到原始值以下是因?yàn)椴牧显诔暡ㄌ筋^處承受高壓，因此，焊接區(qū)域的外部區(qū)域在溫度和機(jī)械方面都受到超聲波振蕩工具的影響。5.3.1、不同焊接區(qū)域的分類(lèi)圖16中顯示的3個(gè)不同的區(qū)域在所有焊接樣品中都是明顯區(qū)分的，區(qū)域“1”稱(chēng)為焊接融核（WN），在這個(gè)地方實(shí)際是焊接的結(jié)點(diǎn)

26、，如同早前提到的，由于表面的摩擦導(dǎo)致的塑性變形，這進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致顆粒狀的結(jié)晶因?yàn)闇囟鹊纳仙?。區(qū)域“2”就是所說(shuō)的溫度機(jī)械影響區(qū)域（TMAZ），這個(gè)區(qū)域存在熱變形和塑性變形。區(qū)域“3”就是基礎(chǔ)部分，也就是在焊接過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性質(zhì)不變的區(qū)域，圖16顯示了整個(gè)部分的微觀結(jié)構(gòu)，焊接能量為200焦耳的過(guò)度焊接，三種區(qū)域可以清楚地的在圖16（b）中觀察到。但是，其微觀結(jié)構(gòu)與“好焊”截然不同，這幅圖同樣揭示了區(qū)域“2”和區(qū)域“1”在“過(guò)度焊接”樣品中比在“好焊”樣品中要更大。5.3.2、評(píng)價(jià)焊點(diǎn)性能超聲波點(diǎn)焊的焊點(diǎn)性能是由破壞檢測(cè)中失效模式確定的20。在剪切拉伸中，失效模式對(duì)于良好的焊接以及過(guò)度焊接不同

27、，之所以不同的原因可以歸結(jié)于好焊和過(guò)度焊接不同的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性質(zhì)，這就導(dǎo)致了在拉伸測(cè)試中每個(gè)樣品承受不同的壓力，因此，可以確定焊點(diǎn)性能與焊接區(qū)域之間的性質(zhì)關(guān)系，焊接區(qū)域比如：區(qū)域“1”、區(qū)域“2”和區(qū)域“3”16。圖15中，在焊接能量為125焦耳的條件下，硬度的梯度值和每個(gè)區(qū)域是相互聯(lián)系的，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，硬度值在遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生器探頭最遠(yuǎn)端的地方增加，緊接著開(kāi)始下降直到和一般樣品的硬度值相同。第一次增加是在區(qū)域“1”和區(qū)域“2”之間，第二增加是在區(qū)域“2”與區(qū)域“3”的交界線，在焊接能量為75焦耳時(shí)，焊接樣品中區(qū)域1和區(qū)域2之間沒(méi)有明顯的區(qū)別，這是因?yàn)楹附幽芰勘容^低時(shí)，焊接表面沒(méi)有充分的熱軟化

28、使得區(qū)域1和區(qū)域2沒(méi)有完全的形成。圖17顯示了幾乎一半大小的區(qū)域1和區(qū)域2（原理圖如圖16（a）所示），在不同焊接能量條件下的關(guān)系在圖中都可以看到。從圖17中可以清楚地看到TMAZ區(qū)域隨著焊接能量的增加從而增加的很快，另一方面，在剪切測(cè)試中力集中的WN區(qū)域在體積上有不明顯的增長(zhǎng)，這是在焊接能量為140焦耳的條件下測(cè)定的，并且隨著輸入能量的增加，體積幾乎保持不變。5.4、焊點(diǎn)質(zhì)量與焊點(diǎn)屬性之間的聯(lián)系圖18顯示了焊點(diǎn)屬性（例如結(jié)點(diǎn)密度和變形后材料的厚度）與剪切拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系，隨著焊接能量的增加焊點(diǎn)密度變大以及材料變薄，這是因?yàn)楹附颖砻嫘纬晌⒂^結(jié)點(diǎn)。同樣也揭示了對(duì)于“好焊”，只有在結(jié)點(diǎn)密度適當(dāng)以

29、及材料厚薄適度的條件下最大的拉伸強(qiáng)度才可以獲得。 圖13圖14 圖15 圖16 圖17 圖186、結(jié)論超聲波點(diǎn)焊焊接3003鋁和304不銹鋼合金實(shí)驗(yàn)在不同的夾緊力（例如30、40、50和60psi）以及焊接能量條件下完成。從質(zhì)量以及數(shù)量方面對(duì)焊點(diǎn)特征進(jìn)行了分析，從而利用焊點(diǎn)的不同特征對(duì)超聲波焊接的機(jī)理有了一個(gè)深入的了解，并且可以得出以下結(jié)論：（1）、在吸附力30psi條件下，結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度在焊接能量低于150焦耳時(shí)，呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，之后隨著焊接能量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，可以觀察到隨著吸附力的增加，同樣的焊接強(qiáng)度可以在更低焊接能量和相對(duì)更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到。（2）、隨著焊接能量增加，焊接表面上一般的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始

30、消失，結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)，這是因?yàn)檫B續(xù)超聲波能量的連續(xù)輸入導(dǎo)致溫度升高。（3）、剪切拉伸測(cè)試揭示了低焊接能量（75和100焦耳）產(chǎn)生的焊點(diǎn)拉伸負(fù)載很小，這是因?yàn)槔浼庸さ奈⒂^結(jié)構(gòu)被劃定為“焊接不足”，在焊接能量為125和150焦耳條件下產(chǎn)生的焊點(diǎn)具有最大拉伸負(fù)載，并且被評(píng)定為“好焊”，高焊接能量（175和200焦耳）條件下產(chǎn)生的焊點(diǎn)具有低強(qiáng)度，這是因?yàn)楹附颖砻嬖俳Y(jié)晶導(dǎo)致的軟化與變薄，并且這種焊點(diǎn)也被劃分為“過(guò)度焊接”。（4）、焊接能量為75和100焦耳條件下的樣品的硬度值比普通樣品的要高，這是因?yàn)楹附颖砻娲笠?guī)模的冷加工。低焊接能量時(shí)，超聲波發(fā)生器探頭下的焊接區(qū)域的硬度值高于溝槽地區(qū)。對(duì)于“好

31、焊”，其最大的拉伸強(qiáng)度是在合理的結(jié)點(diǎn)密度以及材料變薄條件下獲得的。致謝實(shí)驗(yàn)工作的資金由工程IRSIP 22 Ps10所屬的巴基斯坦教育委員會(huì)提供。在此衷心感謝美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系焊接工程項(xiàng)目的S.S. Babu教授團(tuán)隊(duì)。參考文獻(xiàn)1 Gencsoy HT, Admas JA, Shigeo Shin. On some fundamental problems inultrasonic welding of dissimilar metals. Weld J 1967;4:145s53s.2 Neppiras EA. Ultrasonic welding of metals. Ult

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