（材料加工工程专业论文）铝钛异种合金超声波焊接研究.pdf

摘要 摘要 超声波焊接技术是一种通过对工件施加压力以及高频剪切运动来实现材料 间固态连接的方法。利用超声波焊接技术进行金属间的焊接能在低于金属熔点 的温度下实现良好的冶金连接。因此可以应用于冶金性能差异较大的异种金属 间的焊接。本文采用超声波焊接方法进行铝合金6 0 6 1 和钛合金t i 6 a 1 4 v 连接， 获得了良好的焊接接头，使a i t i 异种合金得到了可靠连接。通过改变超声波焊 接的焊接压力、焊接时间、以及待焊件的表面状态等工艺参数来进行焊接，研 究了各工艺参数对焊接接头性能的影响。采用金相显微镜、s e m 、e d s 以及x r d 衍射分析接头的微观组织结构，并利用拉伸、撕裂实验及硬度测试来评定焊接 接头的力学性能。研究表明，铝合金6 0 6 1 和钛合金t i 6 a i 4 v 具有良好的超声 波焊接性能，且得到最佳超声波焊接时间为1 5 0 m s ，焊接压力为o 5 m p a 。 针对在进行超声波焊接过程中温度瞬间变化的这一特点，利用超声波焊接 界面反应机理的研究结果，建立了铝钛异种合金超声波焊接的二维有限元模型。 通过有限元数值模拟的方法得到了铝钛异种合金超声波焊接过程中瞬态温度及 应力的分布。为超声波焊接工艺的优化和制定提供了相应的理论依据。 关键词：超声波焊接：铝合金；钛合金；有限元分析 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cw e l d i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fs o l i ds t a t eb o n d i n gm e t h o d t h e m e t a l l i cm a t e r i a la r ew e l d e db yt h ew e l d i n gp r e s s u r ea n dt h eh i g hf r e q u e n c ys h e a f i n g m o t i o n c a n i n go nt h ew e l d i n gb e t w e e nt h em e t a l su s i n gt h e u l t r a s o n i cw e l d i n g t e c h n o l o g yi sa b l et ob ew e l lc o n n e c t i o nu n d e rl o w e rt h a nt h et e m p e r a t u r eo ft h e m e t a lm e l t i n gp o i n t t h e r e f o r et h i sm e t h o dc a nb eu s et ow e l d i n go fd i s s i m i l a rm e t a l s t h a th a v ee n o r m o u sd i f f e r e n c e si nm e t a l l u r g yp r o p e r t i e s t h i sa r t i c l e u s e s t h e u l t r a s o n i cw e l d i n gm e t h o dt oc a r r yo nt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e6 0 6 1a l u m i n u m a l l o y sa n dt h et i 6 a 1 4 vt i t a n i u ma l l o y , a n di t h a so b t a i n e dt h ew e l lw e l d i n gj o i n t ， t h e 删d i s s i m i l a ra l l o y si se n a b l e dt oa c h i e v et h er e l i a b l ec o n n e c t i o n i th a ss t u d i e d t h a tt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( u l t r a s o n i cw e l d i n gt i m e 、t h ew e l d i n gp r e s s u r e 、t h e s u r f a c ec o n d i t i o no ft h em a t e r i a la n ds oo n ) h a v ee f f e c to nt h ep r o p e r t i e so ft h e w e l d i n gj o i n t t h r o u g ht h ex r d ，s e m ，e d sa n dt h em e t a l l o g r a p h ym i c r o s c o p i c t e c h n o l o g y , t h ea r i t i c l ea n a l y s i st h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ew e l d i n gj o i n t a n dt h r o u g h t h ee x t e n s i o nt e s t 、t h et e a rs g e n g t ht e s ta n dt h em i c r o - h a r d n e s st e s t s ，i tc a nb eu s e d t oe v a l u a t e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l d i n gj o i n t t h er e s e a r c hi n d i c a t e d t h a ti th a v et h ew e l lu l t r a s o n i cw e l d i n gp e r f o r m a n c eb e t w e e nt h e6 0 61a l u m i n u m a l l o ya n dt h et i - 6 a l - 4 vt i t a n i u ma l l o y ，a n di th a v eo b t a i n e dt h a tt h eb e s tu l t r a s o n i c w e l d i n gp a r a m e t e ri s 15 0 m sw e l d i n gt i m e ，0 5 m p aw e l d i n gp r e s s u r e i nv i e wo ft h et e m p e r a t u r ei n s t a n t a n e o u sc h a n g e sc h a r a c t e r i s t i ci nt h eu l t r a s o n i c w e l d i n gp r o c e s s ，a n d t h er e s u l to ft h ei n t e r f a c er e a c t i o nm e c h a n i s m ，i th a v e e s t a b l i s h e dat w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lt os i m u l a t et h eu l t r a s o n i cw e l d i n g o ft h ea l u m i n u ma n dt i t a n i u ma l l o y s w ec a l lo b t a i n e dt h e d i s t r i b u t i o no ft h e t r a n s i e n ts t a t et e m p e r a t u r ea n ds t r e s si nt h eu l t r a s o n i cw e l d i n gp r o c e s st h r o u g ht h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i tc a i lp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sf o ro p t i m i z a t i n ga n d f o r m u l a t i n gt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h eu l t r a s o n i cw e l d i n g k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cw e l d i n g ；a l u m i n u ma l l o y s ；t i t a n i u ma l l o y ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i i 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 近些年来随着航空，航天及原子能等尖端科技的迅猛发展，就对其所应用 的材料提出了更高更加苛刻的要求。考虑到结构轻型化，降低设计与制造的成 本，及特殊使用的要求，充分利用不同种材料的性能优点，组合使用具有不同 特性的材料已经受到了广泛的重视【l 捌。钛合金的密度非常小，而且比强度高， 抗腐蚀以及抗断裂韧性强等特点，使其在航空，地质及医疗等诸多领域有了非 常广泛的应用【3 】。如超大型民用客机空客a 3 8 0 中钛的用量就达到了其飞机重量 的1 0 ；而在第四代的美国战斗机中，钛合金的使用量更是达到了其自身重量 的4 1 4 , 5 】。但因为钛合金价格比较昂贵，这又限制其在各领域内的更深一步的 推广应用。而铝合金密度极低，比强度较高，同时具有非常好的成型工艺性能 且价格较为低廉【6 】。为了使铝合金和钛合金能够优势互补，平衡材料的使用性能 和经济效益，a i t i 异种合金的复合构件得到了越来越广泛的应用。例如美国制 造的战斗机中，其机翼制造就是将翼盒中蜂窝状的铝合金夹层与钛合金材料的 蒙皮焊接而制成的复合结构。使用这样的设计既可以减轻飞机的重量，又可以 节约生产成本，而且使其抗疲劳性能好，强度重量比较耐7 ，s j 。 然而，铝合金和钛合金之间的物理化学性能有着非常大的差异【9 j ，从而对两 种材料间的焊接造成巨大的困难，限制了铝合金和钛合金的复合构件更加广泛 的应用。目前，我国还没有成功探索出铝钛异种合金的成熟高效焊接工艺，为 推动铝钛异种合金复合构件的应用，开展铝钛异种合金间焊接技术的相关研究 工作是具有十分重要的现实意义。 近年来，随着超声波焊接技术的迅速发展，在现代工业中超声波焊接技术得 到了更加广泛的应用【l o 】。采用超声波焊接技术进行a 1 t i 异种合金的焊接，可以 减少脆性反应层的生成，从而解决铝合金和钛合金焊接中存在的问题。尽管超 声波焊接技术已得到了广泛的应用，但因超声波焊接机理十分复杂，迄今对其 机理都没有得到统一的理解，本课题的研究工作具有重要的理论意义和实用价 值。 第1 章绪论 1 2a i t i 异种合金间的焊接性 异种金属材料间的焊接性是与这两种金属材料间的化学冶金特性和热物理 性能的区别密切相关的，异种金属材料在化学冶金性能上的相容性对它们的焊 接性起着主导性的作用，这是因为两种金属间的相容性主要决定着脆性化合物 会不会在它们之间形成。当异种金属材料间会产生脆性的共晶体或金属间化合 物时，则它们很难获得力学性能较好的焊接接头。化学元素间的相互溶解度主 要取决于两种元素自身的物理性质是否相近，如溶剂原子和溶质原子的晶格类 型、电负性和原子半径的差异等 1 1 - 1 3 】。如图1 1 所示的a 嘶二元相图可知【1 4 】： 铝与钛间的物理化学性能差别极大，在常温的条件下，t i 与a l 的相互溶解度非 常小，根本不满足互溶性的要求。因此在对铝合金和钛合金进行焊接时，在它 们焊接界面上极易生成脆性的金属间化合物( 例如t i a l 3 、t i 2 灿及n 3 舢等) ， 这将极大的减弱焊接接头的综合力学性能。 t i a t o m i cp e r c e t t ta l u m t r a m a l 图1 1a v r i 二元合金相图 在航空航天工业中应用广泛的铝合金6 0 6 1 和钛合金t i 一6 砧- 4 v 的热物理性能 参数对比如表1 1 所示。从表中可以很明显的看出，铝合金6 0 6 1 与钛合金 t i 6 m 4 v 在熔点，热导率、热膨胀系数等热物理性能方面存在十分大的差异， 从而导致这两种材料在进行焊接时存在巨大的困难。 表1 1 铝合金6 0 6 1 和钛合金t i 6 a i 4 v 常温下的热物理性能参数 2 第1 章绪论 由于铝合金6 0 6 1 和钛合金t i 6 a 1 - 4 v 的物理化学性能差别巨大，从而导致两 种材料间的焊接性非常差，故必须应用恰当的方法才能实现这两种金属材料间 的可靠连接。铝合金和钛合金焊接困难主要是存在如下几个问题： ( 1 ) 铝合金和钛钛合金熔点温度相差巨大，铝合金中的元素在温度达到钛合 金熔点时会发生大量烧损蒸发，这将导致焊缝中的化学成分极不均匀，接 头强度降低。 ( 2 )由于铝合金和钛合金间的导热率与线膨胀系数相差巨大，导致铝钛异种 合金的焊接变形非常大，接头中极易产生热裂纹。 ( 3 ) 铝和钛极易氧化生成a 1 2 0 3 和t i 0 2 ，致使焊缝易产生夹渣，增加接头脆性， 降低接头强度。 ( 4 ) 铝和钛的晶格类型不同，导致它们相互间溶解度非常小。 ( 5 ) 铝和钛间能够形成多种金属间化合物，严重影响接头焊接质量l l 引。 因此，传统的焊接方法进行铝合金与钛合金的焊接有着非常大的困难，要 选择恰当的焊接方法和焊接工艺才能使铝合金与钛合金实现可靠连接。 1 3 铝合金钛合金连接技术的国内外研究现状 随着汽车和航空航天制造业的发展，a i t i 复合结构得到了越来越广泛应用。 在汽车和航空航天工业中，铝合金与钛合金的连接采用最广泛的方式是铆接、熔 化焊接及螺纹连接等。在前苏联和美国的航空航天领域里，它们早把铝合金和 钛合金的复合构件作为新型结构材料应用得非常广泛了，但目前国内没有获得 高质量焊接件的成熟的铝钛异种合金焊接工艺。国内外研究a i t i 异种合金间的 焊接方法主要有真空钎焊、摩擦焊、扩散焊以及电弧熔钎焊和激光焊接等方法。 1 3 1 国内研究现状 来自北京航空航天大学的赵鹏飞、康慧等【16 1 刀针对铝钛异种合金在进行焊接 。 时容易在接头结合界面中产生层状的脆而且非常硬的金属间化合物t i 舢、t i 甜3 和t i 3 a l 这一问题。采用正交设计方法，通过添加g a 和s n 元素，并以共晶合金 a l 一1 1 5 s i 为基形成9 种不同钎料，使用各不同的钎料对铝钛异种合金进行真空 钎焊。最后通过对焊接接头进行铺展性试验与剪切强度试验，对这9 种不同的钎 3 第1 章绪论 料进行评定。研究结果表明：使得铝钛异种合金的焊接接头达到最好的机械性 能的钎料是含有o 2 g a 、1 0 s n 的础一1 1 5 s i 铝基钎料。 清华大学的姚为、吴爱萍等人【1 8 】研究了t a 2 与l 4 间的扩散机理，认为界面 扩散的反应过程应为：首先是两种材料由于相互扩散而产生的界面冶金结合， 然后是在焊接界面的冶金结合区产生新相，接着是在界面中产生的新相颗粒持 续长大而相互连接成为片层，最后是焊接界面中的新相片层以抛物线规律长大。 铝钛异种合金在扩散焊的过程中界面的初生相为瞰1 3 ，而且在6 0 0 r a i n 这一较 长时间内t i _ 甜3 都应该为唯一生成相。而且他们还研究了l f 6 与t a 2 间的扩散 焊接，并获得了剪切强度达到8 3 m p a 较为理想的接头。研究发现当在5 2 5 以 上的温度进行扩散焊接时只会生成唯一的新相为灿1 8 t i 2 m 9 3 金属间化合物；a 1 和t i 元素之间可以发生相互扩散的，但同时没有发现在t a 2 母材中有m g 元素 扩散过来的迹象。 国内的李亚江等人【1 9 】在对工业纯铝与t a 2 间进行真空扩散焊过程中，采用 铝箔作为中间夹层及在钛合金的表面渗铝的方法。研究发现在铝钛异种合金的 扩散焊焊接接头的过渡区中，从钛合金一侧至纯铝一侧的方向上，t i 元素的含 量是逐渐降低的，而且所生成的产物也是有所不同的。当a l 元素的含量为3 6 时所生成产物为丫t i 舢；而当灿元素的含量为6 0 6 4 时生成则为t i a l 3 。 来自西北工业大学的白建红、傅莉等人【2 0 】采用在电磁场作用下摩擦焊方法 对纯铝和钛合金t i 6 a i 4 v 进行焊接，研究焊接工艺及其焊接过后的对焊接接头 回火热处理工艺对焊接接头质量的影响。研究结果表明t 摩擦焊能够良好的实 现纯铝与钛合金t i 6 a 1 4 v 间的连接，在焊接过程中焊接接头出并没有金属间化 合物相产生，获得的铝钛焊接接头具有优良的力学性能。焊接接头经过回火热 处理后，在靠钛合金一侧的焊缝处材料会由于时效作用硬度值而略有增加，而 且在焊接接头两侧，合金元素发生扩散的区域宽度也会有所增大。 1 3 2 国外研究现状 2 0 0 1 年，德国不莱梅激光技术研究所e w a g n e r ，m k r e i m e y e r ，i z e m e r 等 人【2 1 2 2 1 针对铝钛金属板材进行了搭接研究，因为铝合金和钛合金的物理化学特性 差异巨大的特点，所以在焊接过程中，激光不直接照射铝合金而是直接照射钛 合金母材，通过同步实时加压的方法使得两种合金间紧密贴合，从而钛合金的 4 第1 章绪论 热量通过热传导使得熔点低的铝合金母材熔化，这样做的原因就是可以尽量避 免两种合金的液相的混合减少产生大量对焊接接头质量降低的脆性金属间化合 物。通过这种方法获得的搭接接头的抗剪切强度可达2 2 0 m p a , 且具有比较好的塑 性，金属间化合物的厚度只有大约2 9 m ，如图1 2 。在铝钛进行搭接熔钎焊时，在靠 近钛合金母材的一侧，铝的溶解度略低，当铝的含量达到1 0 时在焊缝中会形成 t i 和t i 3 a l 的混合物，并且随着铝含量的上升，焊缝中会分别形成t i a l 、z i a l 2 和 t i a l 3 等金属间化合物。而在靠近铝母材的一侧，则会因为钛的溶解度低，在钛 的含量大于2 时，就会形成金属间相t i 砧3 。 图1 2 铝钛异种合金激光焊接形貌 2 0 0 3 年韩国的h w s o l l i l ，h h b o n g 等人【2 3 】在对c p t i 和1 0 5 0 a i 进行瞬间液 相扩散连接实验研究时，采用了a i s i l o m g 薄片作为中间层填充材料。研究结果 表明，钛合金母材与中间层填充材料间的界面结合是通过反应层形成金属间化 合物而实现的，而且金属间化合物层可以分为非连续的t i 5 a l l 2 s i 3 金属间化合物 层和连续的t i 7 a 1 5 s i l 2 金属间化合物层。在温度为6 2 0 。c 时，随扩散时间增加， 连续层明显长大，而非连续层长大不明显。 1 9 9 9 年t w l e e ，i k k i m 等人【2 4 】利用a 1 1 0 s i m g 箔片做为铝合金与钛合金的 夹层，在5 8 0 。c 6 4 0 。c 温度范围内发现在进行铝钛异种合金液相扩散连接时，靠 近铝合金一边的界面反应层的成分为t i 9 ( a l ，s i ) 2 3 ，而靠近钛合金一边的界面反应 层的成分为t i 7 a 1 5 s i l 2 。而且发现随着温度的升高t i 9 ( a 1 ，8 i ) 2 3 成分的厚度增加， 而t i 7 舢5 s i l 2 成分的厚度减小。 1 9 9 7 年b m a j u m d a r ，r g a l u n 2 5 】对铝钛异种合金进行了c 0 2 激光焊接的研 究。在进行焊接时，把激光辐照的位置定位于偏钛合金一侧，从而熔焊连接了 铝钛异种合金。研究结果表明，在焊缝处容易产生大量的裂纹，而且发现焊缝 5 第1 章绪论 接头处铝的含量越大，产生的裂纹就越多。因此，他们将b i b 板作为缓冲层置于 铝钛异种合金之间用来阻隔铝合金的溶解，从而使得焊缝处的裂纹的量大大减 少，且最高的抗拉强度只有1 2 7 m p a 。 1 9 8 6 年日本的t t a k e m o t o ，h n a k a m u r a 等人【2 6 2 8 】采用在纯烈材料中添加其 它合金元素的方式，观察研究各合金元素对金属间化合物层的厚度及其物相成 分的影响。发现a 1 1 0 m g - ( 0 5 - 2 ) s i 、a i - ( 1 0 3 0 ) a g - 1 0 c u 和a 1 - ( 1 0 1 2 5 ) c u - ( 5 - 8 ) s n 钎料中，a 1 m g s i 的钎料能够获得最大的焊接接头强度，并且发现加入s i 元素 可以非常有效的抑制界面金属间化合物的形成。 a f u j i ，k a m e y a m a 等【2 9 3 0 1 采用搅拌摩擦焊的方法，使得铝钛异种合金得 到了良好的连接，而且研究还发现t i a l 3 等金属间化合物层在进行热处理过程中 的生长速度十分的快。同时认为从t i 和t i a l 3 间析出来的s i 元素能够很好的阻 止瞰1 3 更进一步的向铝合金母材与钛合金母材中扩散。他们还对纯n 与铝合金 5 0 8 3 间做了摩擦焊方面的研究，研究发现当正压力为最大、焊接时间为0 5 秒 时，获得的铝钛异种合金摩擦焊接头具有最大的拉伸强度；在0 5 秒焊接时间时， 焊接接头中不会产生明显的金属间化合物。而且发现焊接时间为3 秒的焊接接 头在经过4 5 0 摄氏度热处理1 小时后，在接头处产生的金属间化合物层厚度达 o 2 微米，这一金属化合物层的成分较为复杂，主要为m 9 2 a 1 3 ，a 1 3 t i 。 所有以上提到的方法，虽然都能够使得铝合金与钛合金实现的较好连接，但 这些方法都在某些方面有各自的局限性。例如真空钎焊需要真空的工作环境； 扩散焊需要比较高的零件待焊表面和装配，而且需要较长的焊接时间；而搅拌 摩擦焊仅有对接接头单一的接头形式，且只能焊接达到一定厚度板材，不能实 现箔材间的焊接。 1 4 超声波金属焊接技术的发展现状 自1 9 5 0 年美国人发明了超声波金属焊接这种特种连接技术以来，它已经在 电器制造、电子工业、新材料的制备、食品包装盒、航空航天及核能工业、高 级零件的密封技术方面得到了非常广泛的应用 3 1 , 3 2 1 。 1 4 1 超声波焊接原理 超声波金属焊接方法是通过施加压力和超声振动来实现同种金属材料或异 6 第1 章绪论 种金属材料的固态连接技术。在运用超声波焊接技术对金属材料进行焊接过程 中，母材金属中既没有电流通过，同时也没有受到高温热源的作用，仅仅是通 过施加于工件上的静压力以及声学系统的高频超声振动共同作用下，将弹性振 动所产生的能量转化成为金属材料的塑性流、焊接界面的摩擦功及热能。而且 焊接界面的氧化膜和表面附着物会被破碎与驱散，并使得位错聚集，发生大量 塑性变形，从而使焊接界面的金属原子被激活，实现金属焊件间的固态连接【3 3 1 。 其焊接原理示意图见图1 3 。 图1 3 超声波焊接原理示意图 1 4 2 超声波金属焊接的优势 金属的超声波焊接方法的主要优点【3 4 1 是： 可适用于各种材料的焊接，很少有其他的焊接方法有如此广泛的焊接范 围。 焊接过程无高温污染及损伤，是一种固态焊接方法。微电子器件中半导 体硅片与金属细丝( a u 、a g 、a 1 ) 的精密焊接曾是超声波焊接方法最重 要、最成功的应用。 与同电阻电焊相比较，其所耗用的功率只是电阻焊的5 左右，同时焊后 焊接件的变形也非常小，且焊点强度及稳定性也有相当大的提高。 对工件表面的焊前清洁要求不高，可以焊接带氧化物及聚合物等薄膜的 金属，根据这一特点，发展了“先胶后焊”的超声波胶点焊方法。 超声金属焊接机可分为点焊机和滚焊机，它们的焊接速度快，效率高。 超声波焊接过程非常简单，焊接过程中不需要气体保护，且焊后焊接工件 7 ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 ( ( ( ( ( ( 第1 章绪论 也不需要进行退火及表面清理等处理。 金属超声波焊接的主要缺点是目前还不能实现材料的对接焊；由于焊接功 率随着零件厚度提高将呈指数状剧增，因此主要用于丝、箔及小型零件的焊接。 目前最大的功率为3 k w ，而且超声波焊机的价格也是比较昂贵的。 1 4 3 超声波金属焊接国内研究现状 国内目前对超声波焊接技术方面的研究还比较少，主要是在超声波金属点焊 实验方面的研究。 目前大多学者对超声波金属焊接时的焊接温度大小形成了基本统一的看法， 那就是超声波金属焊接是一种材料间固相的连接，金属材料在焊接过程中其温 度大小仅仅材料熔点的4 5 左右。但是杨圣文等人【35 j 通过对铜管与铜片进行超 声波金属焊接，研究结果为：在超声波金属焊接过程中，金属材料有可能已经 发生了熔化，或者金属材料的温度也应该达到了它熔点温度的8 0 左右。张青 来等人【3 6 】通过对镁合金箔片的厚度及其表面的状态等参数如何影响材料的超声 波金属焊接的焊接性能进行了研究，研究结果表明材料的表面状态会因为超声 振动对金属表面的污浊物具有清理的作用而对焊接接头质量影响非常小，而镁合 金的厚度对焊接接头质量影响较大，镁合金箔片越厚，焊接过程中的温度就越 低。王军等人【3 7 】使用超声波焊接的方法对铝片与铜管进行焊接，并对铝铜焊接 接头进行扫描电镜、能谱等分析，研究认为在进行超声波焊接过程中铝铜母材 间的机械嵌合及它们所产生的剧烈的塑性变形会造成晶格的空位与位错的密度 迅速增加，从而加深了铝铜间扩散的程度，这样就能够增加铝铜金属原子间“键 合 的概率，既而实现铝铜金属材料的连接。张铱洪等人郾】根据通过对铝铜超 声波焊接过程中进行实时测温及对接头进行扫描电镜( s e m ) 分析，分析得出 铝铜金属材料的塑性、工件上所施加静压力和焊接界面处由于摩擦而产生的温 升三种因素共同作用是铝铜焊接接头形成的主要原因。l ijh 等人【3 9 】使用超声波 金属点焊的方法进行金属导线和金属焊盘间的焊接试验，研究结果表明a l a u 的接触界面的热稳定性比a l l a j 的接触界面要更加稳定，同时认为金属材料之 所以实现连接是由于超声波焊接过程中的高频振动提高了金属的位错密度结 果。 在超声波金属焊接有限元数值仿真方面，来自香港的d i n g 等【4 0 , 4 1 综合考虑 8 第1 章绪论 到金属材料的循环硬化等性质，通过对a u 线和金属焊盘超声波金属点焊进行了 二维与三维的模拟，获得了超声波焊接过程中焊接件的应力场和应变场的分布 结果图，并由此得出摩擦能量和现实中的焊接状况对焊接接头质量的影响。结 果表明：由于摩擦是影响接头质量的主要原因，焊接接头的最佳结合位置处于 接口的边缘，这是因为接头边缘摩擦最为剧烈，而影响接头质量最主要的因素 是界面间的摩擦；同时发现在焊接过程中母材金属的温度值会远远小于母材金 属熔点。 1 4 4 超声波焊接技术国外的研究现状 对于超声波焊接技术，国外的学者则对其展开了更加深入的探讨，同时因 为超声波焊接技术低温、低压及低能耗等特点，还尝试在金属进行超声波焊接 过程中埋入功能元器件，例如：光学纤维、形状记忆合金丝等。 在实验研究方面，k o n g 等【4 2 】对厚度为o 1 m m 铝合金6 0 6 1 和铝合金3 0 0 3 两种箔片进行了大量超声波滚焊实验，并通过对焊接接头进行焊接线性密度、 剥离实验等分析获得超声波焊接的最佳焊接工艺参数，而且还得出在超声波焊 接前对铝合金箔片进行表面打磨等预处理能有效的提高焊接接头的强度。另外 他还通过超声波焊接技术成功的将s i c 纤维等功能器件埋入3 0 0 3 箔片中由此来 制备金属基智能复合材料。z h a n g 等【4 3 】研究了超声波焊接铝合金箔片时焊接界面 的摩擦效应，研究结果表明焊接界面的摩擦系数开始会随着金属的温度上升而 增大，接着会随金属温度的上升而减小。d ev r i e s t 4 4 利用红外测温仪实时测量金 属箔片在进行超声波金属点焊过程中的温度变化情况，测量结果表明超声波金 属焊接过程中母材金属的温度一般都为该材料熔点的6 0 左右。c h e n gxd 等m j 在对镍和铜合金异种金属进行超声波点焊实验过程中，使用微传感阵列仪测量 研究在进行焊接时金属材料的温度分布以及热量产生情况，结果表明在实验过 程中金属材料的温度大致在1 0 0 - - 2 5 0 c 左右。g u n d u z 等【4 6 j 在温度为2 4 0 c 时运 用超声焊接技术对锌和铝这两种金属进行焊接试验，结果表明在超声波焊接中， 在铝锌焊接接口处金属元素的扩散会不断加剧，而且母材金属也发生了部分熔 化现象。r a m 等1 4 7 】研究了在一定的焊接条件下多种不同类型的金属间的超声焊 接的可焊接性能。通过大量实验得出，铝合金3 0 0 3 与镍基合金、铝铜合金进行 超声波焊接时得到了较好的接头，但在一般焊接环境下，铝合金3 0 0 3 与黄铜、 9 第1 章绪论 不锈钢很难得到良好的焊接接头。j e n g 等【4 8 l 通过大量的试验研究各焊接工艺参 数对超声波焊接接头的质量所造成的影响，研究结果表明，在超声波焊接过程 中所产生的温升影响着焊接接头初始连接强度，但接头的后期连接强度则主要 与材料表明粗糙度有关。 在数值模拟方面，d ev f i e s 4 4 通过建立了超声波焊接金属材料的力学数值模 型，得出母材金属材料的性质、材料的表面状态和焊接参数对超声波焊接接头 质量影响。分析结果表明，在焊接过程中随着金属材料厚度的增大材料的应力 大小会明显减小，焊接参数对焊接过程中金属材料的温度影响非常大。d a u d 等 【4 9 】采用了实验与仿真模拟两种方法研究了超声振动对铝合金拉伸与压缩性能的 影响，结果表明超声振动能有效的降低铝合金的成型力。g a o 等人 5 0 , 5 h 进行了超 声波点焊的二维有限元数值模拟，模拟得出工件上的静压力及焊接界面的摩擦 等对焊接过程中金属材料的应变场的影响，同时研究认为这一有限元模型的建 立对研究焊接过程中金属材料的塑性变形以及应力集中有非常大的帮助。y a d a v 等【5 2 l 数值模拟得出超声波焊接金属薄片时温度场分布，通过分析作者认为在进 行超声波焊接时，随着金属材料的温度增加及其剧烈的塑性应变的发生，在焊 接界面处金属原子会在空穴内进行扩散从而产生粘结。s i d d i q 掣5 3 】建立一个关于 铝合金进行超声波滚焊的三维热机耦合模型，得出在进行超声波焊接时金属材 料的温度仅其熔点的3 5 左右，与实验结果相吻合。通过分析作者认为实现金 属间的连接主要是因为金属原子间的键合，而金属表面间的摩擦不起主导作用。 z h a n g 等【5 4 】为得到超声波焊接过程中的材料的温度场和应力应变场，建立了三维 热机耦合有限元模型。分析结果表明在超声波焊接的过程中，材料的温度先是 剧烈上升，接着是缓慢上升到一稳态值；而应变场呈振荡分布且接头中心位置 应变值最大。e l a n g o v a n 等”5 j 数值模拟了在不w r 艺参数下金属材料超声波焊接 的温度与应力分布情况，仿真结果表明，焊接静压力对金属材料的变形起着非 常重要的作用，且随着焊接静压力的增加金属材料的温度会随之下降。 i s 课题来源及研究内容 1 5 1 课题来源 2 0 0 8 年国家自然科学基金：“金属基智能复合材料超声波焊接制造机理与方 1 0 第1 章绪论 法研究 ( 编号：5 0 8 6 5 0 0 7 ) ； 2 0 1 0 年江西省教育厅科技重点项目：“三维智能金属( 钛合金) 结构超声波 固结制造技术 ( 编号：g j j l 0 0 1 3 ) 江西省青年科学家( 井冈之星) 培养对象计划资助。 1 5 2 课题的主要研究内容 本课题采用数值模拟和实验的方法研究了运用超声波金属焊接技术焊接铝 合金和钛合金薄片，并对超声波焊接接头拉伸断裂、撕裂行为，及超声波焊接 界面的结构及连接机理进行分析。论文中的主要内容包括如下几点： ( 1 ) 建立超声波焊接实验平台，通过大量实验得到各种工艺参数下的铝合金 6 0 6 1 薄片与钛合金t i 6 砧4 v 薄片的超声波焊接焊接件试样。 ( 2 ) 通过对焊接件试样进行拉伸及撕裂试验分析超声波焊接接头的抗拉及抗 撕裂的力学性能。 ( 3 ) 采用金相显微镜、e d s 能谱分析、s e m 扫描电镜、x r d 衍射等分析焊接 接头的微观组织及界面扩散情况。 ( 4 ) 综合考虑了超声波焊接过程中焊接界面的高频摩擦生热和材料塑性变形 生热，建立了二维有限元模型，模拟超声波焊接铝合金6 0 6 1 薄片与钛合金 t i 6 a 1 4 v 薄片的温度场与应力场分布，并分析了焊接压力、焊接时间及材 料的厚度等对焊接过程中材料的瞬态温度与应力分布的影响规律。 建立实验平台 1r 镪铱异种合盒超声波焊接试验， 土， ，l 机械性能测试， 【微观组织结构分析一】 建模与数值梗拟分析。 i i 铝铁超声波焊接机理分柝 图1 4 铝钛异种合金超声波金属焊接的技术路线图 第2 章实验材料及方法 2 1 试验材料 第2 章实验材料及方法 本课题研究的待焊接的异种材料分别为0 3 m m 厚的铝合金6 0 6 1 薄片和 0 3 m m 厚的钛合金t i 6 a 1 4 v 薄片，其主要成分见表2 1 、表2 2 。 表2 1 铝合金6 0 6 1 成分 其中铝合金6 0 6 1 主要的合金元素为镁与硅，它的比重小，具有中等强度，强 度比纯铝高，焊接性好，耐腐蚀性能好，疲劳强度高等特点。广泛应用于船舶、电车 等要求具有一定强度与耐腐蚀的工业结构件中，其微观组织图如图2 1 所示。钛 合金t i 6 a 1 4 v 是双相钛合金，包含o t 与b 两相，在平衡状态下组织中主要为毡 相，d 相的仅为9 - 3 0 。它综合力学性能良好，组织稳定性好，具有非常好的塑 性、韧性和高温变形的性能，而且能较好地进行时效、淬火、热压力加工等处 理使得合金得到强化【56 1 ，其微观组织结构如图2 2 所示。 图2 1 铝合金 1 2 图2 2 钛合金 第2 章实验材料及方法 2 2 实验材料的预处理 实验的目的是研究铝合金与钛合金进行超声波金属点焊时工艺参数的优化 及接头的形成机理，主要是通过如下几个方面来进行研究： ( 1 ) 铝合金6 0 6 1 与钛合金t i 6 a 1 4 v 进行超声波点焊过程中焊接时间对焊接接 头的影响。 ( 2 ) 铝合金6 0 6 1 与钛合金t i 6 a 1 4 v 进行超声波点焊过程中焊接压力对焊接接 头的影响。 ( 3 ) 研究铝合金6 0 6 1 与钛合金t i 6 a 1 4 v 薄片的焊接位置对焊接接头的影响。 ( 4 ) 研究在进行超声波焊接中，铝合金6 0 6 1 与钛合金t i 6 a 1 4 v 进行表面去氧 化膜处理对焊接接头的影响。 首先是对0 3 r a m 厚的铝合金与钛合金原材料薄片进行剪裁，将它们裁剪成 为1 6 0 x1 0 r a m 这一规格的长方形。 铝合金6 0 6 1 与钛合金t i 6 a 1 4 v 的化学性质在常温常压下都非常活泼，与空 气接触都很容易被氧化，产生致密的a 1 2 0 3 与t i 0 2 的氧化膜层，从而有可能影 响铝钛焊接接头的质量。为研究铝合金与钛合金表面的氧化膜是否对焊接接头 质量有所影响，在进行焊接时，采用铝合金( 去氧化膜) 与钛合金( 去氧化膜) 、 铝合金( 未去氧化膜) 与钛合金( 去氧化膜) 、铝合金( 去氧化膜) 与钛合金( 未 去氧化膜) 、铝合金( 未去氧化膜) 与钛合金( 未去氧化膜) 四种组合进行焊接。 其中对铝合金6 0 6 1 进行表面去氧化膜的方法为：首先在浓度为5 1 2 的n a o h 水溶液中浸泡4 分钟，这样可以分解铝合金表面的a 1 2 0 3 氧化膜，接着使用大量 的清水进行冲洗来去除铝合金表面残留物，最后就是用吹风机将其吹干。而钛 合金t i 6 a 1 4 v 的表面t i 0 2 氧化膜的去除方法为：首先是将钛合金薄片在 1 5 h n 0 3 + 5 h f + 8 0 h 2 0 的溶液中浸泡约4 分钟，这样可以分解钛合金表面 的t i 0 2 氧化膜，然后使用大量的清水中进行冲洗，最后是用吹风机将其吹干。 2 3 实验设备 超声波焊接试验装置为江苏无锡尼可超声波设备有限公司生产的n c 4 0 0 0 型超声波金属点焊机，如图2 3 所示。这一焊接机主要是由电器控制箱、超声波 发生器、换能器、焊头及气动部分组成。在超声波焊接试验过程中，振动频率 1 3 第2 章实验材料及方法 和振幅两参数是固定不变的，而焊接压力与焊接时间这两个参数是可以进行调 整。该超声波点焊机的主要技术参数如表2 3 所示。 图2 3 超声波金属点焊机 表2 3 超声波金属点焊机主要技术参数 项目名称 参数指标 工作频率 超声振幅 最大输出功率 焊接电流 焊接时间 工作方式 电源电压 外型尺寸 焊头尺寸 2 0 k h z 3 5 1 t m 4 0 0 0 w 1 2 a 0 0 4 s 0 2 5 s 非连续 a c 3 8 0 v 1 2 0 0 x 6 0 0 6 0 0 m m 8 x 8 m m 2 4 实验方法 铝合金与钛合金的超声波点焊过程中，采用搭接方式进行焊接，而且是分两 种方式进行搭接，既同向搭接与异向搭接，如图2 4 所示。同向搭接的焊接接头用 于做剥离力学性能试验，而异向搭接的焊接接头则用于做拉伸剪切力学性能试 验。 在焊接过程中，将待焊的工件置于超声波焊机的下声极上，保持工件与下 声极的完全贴合，而上声极则在一定的工艺参数下由上致下压向工件，从而实 现铝钛异种合金的连接，超声波金属点焊的示意图如图2 5 所示。整个的试验过 程中，将采用不同的技术参数进行焊接，主要调整的工艺参数为：焊接静压力、 1 4 第2 章实验材料及方法 焊接时间、铝合金与钛合金的位置以及铝合金与钛合金的表面状态。在不同的 焊接工艺下，每组工艺参数进行3 次的重复性试验，在试验过程的试验工艺参 数如表2 4 所示。 焊接区域 振动方向 焊接区域 振动方向 工 a ) 同向搭接 图2 4 焊接接头形式 b ) 异向搭接 图2 5 超声波金属点焊的示意图 表2 4 试验的工艺参数 1 5 第2 章实验材料及方法 注：在实验中，在焊接压力为0 3 m p a 条件下，当焊接时间小于6 0 m s 时， 待焊接件不能实现有效的连接；当焊接时间为2 1 0 m s 时，待焊件的铝薄片表面 会有明显压损，由于母材出现损伤，故不能实现良好的连接。由于在其他较极 端条件下不能保证铝合金与钛合金实现有效的连接，故仅选表2 4 工艺参数对铝 合金与钛合金进行超声波焊接。 2 5 金相分析 进行超声波金属点焊试验后，截取超声波焊接接头进行镶嵌，镶样的方法 采用热镶嵌方法，得到焊接接头处的镶嵌试样。然后先是采用1 0 0 0 # 的水磨砂纸 进行打磨，接着经1 2 0 0 # 、15 0 0 # 、2 0 0 0 # 砂纸继续打磨，最后在抛光机上用0 5 9 m 的金刚石研磨膏进行抛光。抛光满足要求后，采用三种酸的混合溶液对其进行 腐蚀，溶液成分为： h f - h c l h n 0 3 ：h 2 0 = 1 5 ：2 5 ：5 ：9 1 腐蚀时间大概3 0 s 左右，然后用大量蒸馏水进行清洗，接着是采用酒精清洗， 吹干后保持在干燥的环境中。本文是通过使用o l m p u s 金相显微镜进行接头显 微组织观察。 2 6s e m 、e d s 及x r i ) 分析 本文采用美国f e i 公司的q u a n t a 2 0 0 型环境扫描电子显微镜( s e m ) 对铝钛 异种合金超声波焊接接头形貌、焊合比等进行观察分析。使用能谱仪( e d s ) 对铝 钛异种合金的超声波焊接接头进行线扫描，分析金属元素在焊接界面处的扩散 深度。采用德国b r u k e rd 8 s o c u rx 射线衍射仪对铝钛异种合金超声波焊接接头 进行界面反应物相分析，具体参数为电压4 0 k v ，电流为3 0 m a ，扫描角为1 0 。 - 8 0 。，扫描速度为o 5 d e g s e e 。 2 7 力学性能分析 为了评价铝合金与钛合金超声波焊接接头的力学性能，本文采用拉伸剪切 强度和剥离强度来作为强度指标。 1 6 第2 章实验材料及方法 2 7 1 拉伸剪切试验 铝钛异种合金的焊接试样拉伸剪切力测试是在新三思c m t 4 1 0 4 微机控制电 子万能试验机上进行的，如图2 6 所示，测量过程中拉伸速度为2 m m m i n ，拉伸 剪切测试示意图如图2 7 所示。对于每一组工艺参数，是取其三个焊接接头的平 均强度作为该参数下的拉伸强度。记录搭接接头在断裂时所施加的载荷的大小， 按式( 2 1 ) 来计算搭接接头的抗拉伸剪切强度。 f = q s ( 2 1 ) 式中f 搭接接头抗拉伸剪切强度( m p a ) ，q 为接头的断裂时的载荷( n ) ，s 为搭接接头的有效面积( m m 2 ) 。 f n 。 2 7 2 剥离试验 图2 6 焊接试样拉伸剪切测试装置图 图2 7 焊接试样拉伸剪切测试示意图 搭接接头的剥离试验是采用新三思c m t 2 5 2 0 微型机控制电子拉力试验机如 图2 8 所示，搭接接头上的焊点大小为8 0 x8 0m m ，剥离测试