超声波焊接中焊接参数对焊点质量的影响.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 Prangnell20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)压电转换器，将电能转换成相同频率的线性机械振动，(iii)放大器，放大机械振动幅度，(iv)超声波发生器，进一步放大机械振动的幅度，(v)气缸，提供焊接时夹紧压力20， USW使用两个系统，即楔形簧片和横向获取系统，在楔形簧片系统中因为是弯曲度模型所以对于参数的准确控制是不可能的，通过簧片机械振动转换到工件的振动。在这个系统中，铁砧有时作为一个振动部分，因为相位和簧片产生共振，这就是为什么楔形簧片系统对于焊接很厚的片更有用。另一方面，横向获取系统简单并且允许焊接参数通过换能器被测到，对于硬度较低薄片比较有用，可以实现不同类型之间的焊接比如线、缝、环形，但焊接结点布置更适合这种配置。因此，在这个研究之中典型的结点配置（图2）是利用横向获取系统产生。在超声波点焊法中，频率、振动幅度、吸附力、功率、能量以及时间是相互联系的主要过程参数，超声波点焊设备可达到的频率范围在1575kHz之间，其中，20kHz是最常用的，在这个频率（20kHz）有很高的应变速率（103-105/s），并且修整焊接样品之间微米级的粗糙表面时在局部会很快形成张力24。Bates等人25 ，、在理论上计算了剪切应变速率可利用以下关系： r=2fAh0 此公式中f代表频率，h0代表超声波发生器之间焊接板片的厚度减少量，A代表USW设备的振动幅度。振动幅度是最重要的过程参数，并且它与功率以及升压设备或超声波发生器提供的增益有关。由USW产生的振幅范围在3060um20，能量输入域振动幅度之间的关系可由以下关系给出24： EA2 （2）应用于焊接表面的静态压力依靠的是焊接端点以及由气动气压缸调节的吸附力，临界吸附力要求产生焊接表面的紧密连接。一般来说，巨大的变形是系统的大功率产生高吸附力的结果，另一方面，吸附力不足产生焊接表面滑动或者粘连，导致焊接表面过热，进而设备损坏26。最大的功率用来产生超声波穿透系统，反馈系统控制焊接周期中保持超声波堆栈运动所需功率大小，这个系统控制改变焊接时间来满足不同的能量标准。直到达到令人满意的能量标准以及完成焊接周期。因此，焊接时间主要是由功率和能量大小决定，其关系可表示为以下关系式： E=P* t （3）此公式中，E代表能量，P代表功率 以及t代表时间，在目前前工作中，各种不同的吸附力的作用，例如：在不同的能量标准下使用30、40、50以及60psi来焊接3003铝和SS合金的薄片。3、实验细节超声波焊接点是利用2.4kW的超声波点焊机使用300um厚的3003铝合金薄片和50um厚的304SS合金薄片产生，系统原理图见于图1，一个尺寸为8x6mm的焊嘴和超声波发生器相连，其中只有一种模式会在所有实验中应用，因为不同的模式对于焊接力量影响不同27。样品按照平行于滚动方向切割为标准规格25x100mm2，并且焊接表面有25mm的重叠，不需要清洁也不需要预先处理。超声波点焊的振动方向垂直于薄片的滚动方向，在这个实验中超声波振动的幅度范围在58um左右。这个超声波电焊机可获得的最大功率是2.4kW，这个功率在整个过程中保持稳定。焊接的能量根据不同的吸附力在75200焦耳之间变化，例如吸附力为30、40、50或60psi，为了评价焊接结点强度，利用MTS831.10弹塑性计检测系统对每种焊接情况的焊点进行拉伸测试。使用一个5kN的负载来避免固定置换速率1mm/min下产生的不必要的动态效应，使用Leco VC-50精密金刚石切割工具将焊点进行切片。为避免热效应对焊点微观结构的影响，对切片的试件冷安装两个环氧树脂组件。对安装有组件的试件使用碳化纸抛光至800粒度大小，然后用金刚石打磨至1um，进一步用硅胶处理到0.05um，用显微镜查看，样品在室温条件下在腐蚀溶液（100mL水，4克高锰酸钾，1克氢氧化钠）中被侵蚀，图片是通过Olympus GX 51光学显微镜获得的。维氏硬度测量是在整个焊点抛光表面进行的，同样也在低于表面1mm的不同的位置进行测量，使用的是Leco MA 100硬度检测设备，其负载为25克。图1图2图34、结果与讨论4.1、剪切测试在图3之中，描绘了对于焊点样片最大的拉伸负载相对于2.4kW恒定功率下四种不同吸附力的关系。可以在40和60psi的吸附力条件下观察到几乎相似的趋势，结点强度在能量升到125焦耳之前时增加，然后降低。在吸附力为30psi时，结点强度一直波动直到能量上升到150焦耳，然后呈现下降趋势。在另一方面，吸附力为50psi时，结点强度没有明显的趋势，只是在225300牛顿之间波动。对于更低的吸附力（30psi），需要更长的时间在225焦耳能量条件下来达到拉伸强度的最佳效果。另一方面，对于吸附力为50psi，只需要更短的时间更低能量来达到中等强度。此外，对于更高的吸附力（60psi），焊点呈现出相似的强度在更短的时间（0.14s）更低的能量（125焦耳）相较于之前的两种情况。从这个图中可以清楚看到在更高能量时焊点强度的降低以及吸附力的下降，这是因为在超声波点焊中更高的吸附力会导致高滑动阻值产热增加。因此，在可塑性工作中通过微焊以及能量消耗可以使焊接快速发生。但是，在吸附力很高的条件下，焊接表面发生粘连，焊接界面最初的变形主要是弹性变形而不是由于释放热量打破结点导致的塑性变形29。4.2、用焊点属性来描述焊点调查焊点物理属性与焊点性能的关系，将光学显微镜和硬度测量设备应用到切割样片不同部分表面测量，这些样片是在40psi吸附力以及不同焊接能量值（75200焦耳）条件下获得的。光学显微图像见于图4（a）-(c)，针对于不同焊接能量。可以从图4中看出沿着焊接表面存在缺口，缺乏焊点。例如：表面的缺口是因为能量低于75焦耳。可以从图中看出缺口随着能量的升高变得模糊，并且材料之间更加紧密的连接在一起。随着焊接能量的提升可以从图中清晰地观察到随着焊接能量的提升铁砧的痕迹以及超声波发生器的增强，因为能量的过度输入导致了材料的变形16。随着能量的增加铁砧痕迹加深和以前的研究是相符的284.2.1、结点机理在超声波点焊机中，冶金附着力在整个界面上扩散。局部的融化与机械咬合1是主要观察的机理。用光学显微镜观察用125焦耳能量产生的焊点样片，如图5，局部的微小结点可以从焊接表面上观察到。能观察到是因为剪切形变的连续性，在图5中可以很明显的观察到这种连续性导致结点连接成线16，以及因为可塑性变形区域扩大而出现复杂的波。因此，超声波焊点的强度是表面波以及焊接界面的微观结构共同影响的，当焊接能量输入值超过了获得好的焊点强度最优值，焊点形成的线会变得很复杂，并且和一般焊点形成的线不同，如图6所示，此时焊点形成的线看起来和顺着焊接界面表面波相似，只是幅度更大16。局部的结点区域从超声波焊嘴附近开始发展，并且结点区域开始在整个表面上开始扩散，随着已经软化材料因为焊接界面上一般的剪切力经受巨大的可塑性变形。因此，焊接表面上焊点形成机理对于相同的样品可归结如下：(i)在焊接表面上焊点线的扩散和形成， (ii)连续一般的和剪切力导致的沿着焊点线的变形， (iii)材料之间微观结点的生长。图44.2.2、材料流动对光学微观图像（图4）的分析，揭示了随着能量增加超声波发生器的痕迹和铁砧痕迹加深，这也和所用材料的厚度和类型有关。结点模式导致的变形可归结如下：(i) 超声波发生器通过摩擦对材料表面施加剪切力，(ii)超声波发生器产生的重复滑动和摩擦导致材料表面的可塑性形变， (iii)超声波结点路径深入材料随着材料变形区域扩大，图7（a）和（b）是放大的橙色和蓝色矩形图像如图4相应的表示，从图7（a）中放大的图像，可以看出材料流动只在焊嘴的局部发生，因为结点平面的高应变速率。图8所示，结点路径如何深入材料，在40psi吸附力条件下，随着焊接能量从100增加到200焦耳，结点路径在材料中越是深入、材料形变增加。最初，痕迹侵入越来越深，然后慢慢下降最后减少，然而焊接能量在增加，这个压痕速率解释为：最初的深的压痕是由存在足够空间适应变形的材料流动导致的。但是，随着焊接能量的增加材料流动减少是因为没有更多空间来适应材料流动，因此，在USW中材料流动发生是因为过度的塑性形变，这增加了焊接表面的摩擦，但是，过度材料流动导致变薄和弱化，这些对焊点强度产生了负面影响16。4.2.3、加工硬化和软化图9（a）所示为在振动方向有颗粒结构的3003铝的微观结构，随着超声波点焊过程开始，焊接表面由于超声波能量的摩擦效应而经受剪切力，超声波能量也产生塑性变形16。微观结构如图9所示，和低焊接能量（75焦耳）的结构相似，当焊接能量增加接收到的微观结构开始消失，新的微观结构的结晶开始出现在焊接表面如图9（c）和（d），这种结晶的微观结构形成的原因连续的超声波功率的输入导致的温度上升16，这种微观结构的改变和焊接材料的机械性能有联系。从图3，剪切拉伸强度的结果表示低能量值（75和100焦耳）产生的焊点，因为微观结构对小的拉伸负载是失效的。被定义为“焊接不足”，在焊接能量为125和150焦耳条件下的焊接样品展现除了最大的拉伸负载，在这儿，确定表面有结晶并且这种焊接被划分为“好焊”，在焊接能量175和200焦耳条件下产生的焊点展现了低强度，因为软化和变薄，这种被定义为“过度焊接”16，硬度测量仪被用来确定焊接材料的硬度和变薄程度，硬度情况和焊接能量的关系图如图10所示，测量硬度的区域位于超声波峰值，在这个位置预测的最高的应变速率如图10的插图所示。在焊接能量75和100焦耳条件下的焊接样片的硬度值比一般的样品高，然后，随着焊接能量的增加硬度下降到一般样品的硬度值以下。这个结论是由微观结构分析和硬度一起得出的，体现了利用超声波点焊的材料的可塑性行为16。图12（a）阐述了在不同方向硬度的变化，在表面和沟槽区域，在低焊接能量时表面的硬度值比沟槽区域的硬度值高，但是硬度值的差值随着焊接能量的增加不再增加，显微图11（b）体现了延长的颗粒结构的消失，以及在焊接表面相对于沟槽区域结晶取代可塑性变形， 因此，表面的材料吸收更高的焊接能量，这展现了工作硬化和持续上升的温度导致的软化。如此一来，超声波点焊技术像是接着热处理之后的冷加工，这导致材料通过结晶过程和随温度连续上升的颗粒生长而恢复自由形变状态16。 图5图6图7 图8图9图10 图11图125、用物理属性评估焊接质量一个好的焊接应该具有稠密的焊接结点而且没有缺口和变形。在这个部分中，物理属性，例如：结点稠密度和焊接后厚度与焊点质量是有联系的，并对微观结构分析和硬度测量等物理属性进行讨论。5.1、结点密度结点密度是一个重要的物理属性对于评价焊点的性能，冶金附着力、微观结点和从材料表面观察到的结点线路径的复杂波，图13（a）-（c）光学图像中焊接样品上结点线具有不同的能量75焦耳“不足”，125焦耳“恰好”以及200焦耳“过度”。在以下焊接样品中，顺着结点线缺口是清晰可见的，但是多重结点区域不仅在“好焊”中找到，同样也在“过度焊接”中找到，但是，结点密度在过度焊接样品中是很高的相对于“好焊”，但是，剪切拉伸实验结果表明“好焊”的高强度如图3，因此结点密度独自并不具备评价USW焊接3003铝和304SS合金之间焊点强度的作用。5.2、焊接后厚度焊接后厚度是另一个重要的可能会影响超声波焊接金属性能的物理属性16，焊接后厚度与焊接能量的关系如图14所示，从图14可以清楚地看到焊接能量增加时材料厚度降低很快直到它原本厚度的34%能量为175焦耳，并且保持或多或少在170um的固定值。这是因为在高焊接能量时，使得在超声波端点处的沟槽区域没有可用的空间让材料流动16。从图4、13和14，可以推断出“好焊”是在形变厚度达到它饱和厚度170um的一半。在低能量值，“焊接不足”的焊点（几乎没有结点区域）的形成是因为超声波发生器的探头有变形的材料，最大的结点密度可以在变形厚度为170um的条件下达到，但是，这种方案产生“过度焊接”焊点，这种焊点因为温度原因导致的软化使其具有相对较低的强度。5.3、硬度分布硬度测量在焊接界面内以及沿底部板片的中心线的焊接区外进行，如图15（a）和（c）所示。比较焊接表面的硬度，锯齿型缺口被制作在焊接平面尖端和沟槽区域，硬度值在这些区域有很大的不同，这是因为不同材料之间的连接以及焊接点物理弯曲。为了确定不同区域外的硬度，锯齿形的缺口在材料底面的中心线上每间隔0.1mm制作一个，如图15所示，硬度值的不同也描绘在图15（c）之中，不同的硬度值可以断定每个焊接样品，其材料在不同方式下所经受的硬化以及软化。从图15之中可以清楚看出：在低焊接能量时，硬度值在焊接区域边界附近增加，之后和一般的焊接一样开始降低。在另一方面，对于增加的焊接能量（超过焊接样品），最高的硬度值从焊接区域边界向外转变，在一个“过度焊接”的样品中，硬度值最初开始下降后来开始升高从焊接区域，最后下降到和本来的硬度值或多或少相同。焊接区域硬度值的增加是因为冷工作，因为循环的压力施加到水平（以超声波振动的形式）和垂直（以吸附力的方式）方向16，但是，边界处硬度值的下降是因为温度升高导致的软化。硬度值下降到原始值以下是因为材料在超声波探头处承受高压，因此，焊接区域的外部区域在温度和机械方面都受到超声波振荡工具的影响。5.3.1、不同焊接区域的分类图16中显示的3个不同的区域在所有焊接样品中都是明显区分的，区域“1”称为焊接融核（WN），在这个地方实际是焊接的结点，如同早前提到的，由于表面的摩擦导致的塑性变形，这进一步会导致颗粒状的结晶因为温度的上升。区域“2”就是所说的温度机械影响区域（TMAZ），这个区域存在热变形和塑性变形。区域“3”就是基础部分，也就是在焊接过程中微观结构和机械性质不变的区域，图16显示了整个部分的微观结构，焊接能量为200焦耳的过度焊接，三种区域可以清楚地的在图16（b）中观察到。但是，其微观结构与“好焊”截然不同，这幅图同样揭示了区域“2”和区域“1”在“过度焊接”样品中比在“好焊”样品中要更大。5.3.2、评价焊点性能超声波点焊的焊点性能是由破坏检测中失效模式确定的20。在剪切拉伸中，失效模式对于良好的焊接以及过度焊接不同，之所以不同的原因可以归结于好焊和过度焊接不同的微观结构和机械性质，这就导致了在拉伸测试中每个样品承受不同的压力，因此，可以确定焊点性能与焊接区域之间的性质关系，焊接区域比如：区域“1”、区域“2”和区域“3”16。图15中，在焊接能量为125焦耳的条件下，硬度的梯度值和每个区域是相互联系的，在这个实验中，硬度值在远离超声波发生器探头最远端的地方增加，紧接着开始下降直到和一般样品的硬度值相同。第一次增加是在区域“1”和区域“2”之间，第二增加是在区域“2”与区域“3”的交界线，在焊接能量为75焦耳时，焊接样品中区域1和区域2之间没有明显的区别，这是因为焊接能量比较低时，焊接表面没有充分的热软化使得区域1和区域2没有完全的形成。图17显示了几乎一半大小的区域1和区域2（原理图如图16（a）所示），在不同焊接能量条件下的关系在图中都可以看到。从图17中可以清楚地看到TMAZ区域随着焊接能量的增加从而增加的很快，另一方面，在剪切测试中力集中的WN区域在体积上有不明显的增长，这是在焊接能量为140焦耳的条件下测定的，并且随着输入能量的增加，体积几乎保持不变。5.4、焊点质量与焊点属性之间的联系图18显示了焊点属性（例如结点密度和变形后材料的厚度）与剪切拉伸强度之间的关系，随着焊接能量的增加焊点密度变大以及材料变薄，这是因为焊接表面形成微观结点。同样也揭示了对于“好焊”，只有在结点密度适当以及材料厚薄适度的条件下最大的拉伸强度才可以获得。 图13图14 图15 图16 图17 图186、结论超声波点焊焊接3003铝和304不锈钢合金实验在不同的夹紧力（例如30、40、50和60psi）以及焊接能量条件下完成。从质量以及数量方面对焊点特征进行了分析，从而利用焊点的不同特征对超声波焊接的机理有了一个深入的了解，并且可以得出以下结论：（1）、在吸附力30psi条件下，结点强度在焊接能量低于150焦耳时，呈现波动趋势，之后随着焊接能量的增加呈现增加趋势，可以观察到随着吸附力的增加，同样的焊接强度可以在更低焊接能量和相对更短时间内达到。（2）、随着焊接能量增加，焊接表面上一般的微观结构开始消失，结晶的微观结构开始出现，这是因为连续超声波能量的连续输入导致温度升高。（3）、剪切拉伸测试揭示了低焊接能量（75和100焦耳）产生的焊点拉伸负载很小，这是因为冷加工的微观结构被划定为“焊接不足”，在焊接能量为125和150焦耳条件下产生的焊点具有最大拉伸负载，并且被评定为“好焊”，高焊接能量（175和200焦耳）条件下产生的焊点具有低强度，这是因为焊接表面再结晶导致的软化与变薄，并且这种焊点也被划分为“过度焊接”。（4）、焊接能量为75和100焦耳条件下的样品的硬度值比普通样品的要高，这是因为焊接表面大规模的冷加工。低焊接能量时，超声波发生器探头下的焊接区域的硬度值高于沟槽地区。对于“好焊”，其最大的拉伸强度是在合理的结点密度以及材料变薄条件下获得的。致谢实验工作的资金由工程IRSIP 22 Ps10所属的巴基斯坦教育委员会提供。在此衷心感谢美国俄亥俄州立大学材料科学与工程系焊接工程项目的S.S. 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