关于铝铜异质金属超声波焊接工艺研究

关于铝铜异质金属超声波焊接工艺研究

颜标

广东恒基金属制品实业有限公司528300

摘要：铝－铜异种接头在电子、汽车行业及电池制造中有着广泛的应用，因此，本文针对铝－铜异种金属的超声波焊接进行工艺研究。

关键词：异质金属；超声波焊接；工艺研究

一、试验材料及设备

1.试验材料

试验材料为0．5mm厚的w（Al）99．9％纯铝和0．5mm厚的w（Cu）99．9％纯铜，纯铝的密度为2．70g/cm3，熔点为660℃，常温下呈银白色，具有良好的导热和导电性，韧性塑性良好。纯铜也是电和热的优良导体，耐腐蚀性强，密度为8．96g/cm3，熔点为1083．4℃，常温下呈紫红色。材料的主要化学成分分别见表1和表2。

由于铝的表面有一层致密的Al2O3氧化膜，因此，在焊前需要对试样表面进行预处理：使用400＃砂纸打磨铝片端部搭接区域的表面，当打磨均匀且呈银白色时，立即用大量清水冲掉打磨后残留在金属表面的颗粒，之后用酒精清洗，去除水分，并用吹风机热风进行表面干燥。

2.试验设备

本试验使用的超声波焊机为SONICMSC4000－2型焊机，振动频率为20kHz，最大功率为4kW，如图1a所示，焊极的形状如图1b所示，齿的顶角为90°，齿间距为0．8mm，齿深为0．4mm，尺寸为8mm×8mm。

图1超声波焊机系统及焊头模型

二、试验结果及讨论

1.焊接压力对接头质量的影响

在恒定的焊接振幅和焊接能量（振幅50μm，能量700J）下，焊接压力分别设置为0.21，0.28，0.35，0.42MPa的4组参数下进行焊接。焊接完成后，通过万能试验机测试试样的最大拉剪载荷，具体结果如图2所示。

图2焊接压力对铝-铜接头质量的影响

从图2可以看出，随着压力的增大，最大拉剪载荷先增大，在0.28MPa压力时获得峰值1339．0N，此后，最大拉剪载荷随焊接压力的增大反而减小。产生这种变化的原因是：起初，焊接压力较小时，界面间的摩擦力也较小，使作用在界面上的能量很少，这种情况不利于界面的结合，接头质量也就不高。而压力增大就意味着金属表面之间的摩擦力相应地增大，这导致了界面间更好地粘合，进而提高了焊接质量。但当施加过大的焊接压力时，界面间的摩擦力又过大，在焊接振幅和能量不变的情况下，很高的摩擦力导致相对运动极其困难，甚至会有静摩擦现象的出现，因此，过大的焊接压力会抑制金属表面之间的相对运动，导致焊接质量降低。

2.焊接振幅对接头质量的影响

焊接振幅是由超声波发生器产生的，也是通过焊极作用于被焊材料上的。由于之前的研究，焊接压力在0.28MPa时，焊接质量较高，所以本试验选择恒定的焊接压力和焊接能量（压力0.28MPa，能量700J），焊接振幅分别为40，45，50，60μm的4组参数下进行焊接。焊接完成后，在万能试验机上测试试样的最大拉剪载荷。如图3所示；

图3焊接振幅对铝－铜接头质量的影响

当焊极对金属材料施加的焊接振幅较小时，残留的氧化物层的去除不均匀，仍断断续续存在于界面上（材料经过打磨，只是一定程度上减少表面氧化物，并不能完全清除），阻碍铝－铜间的结合，导致接头质量较低。一般来说，振幅的增大通常会导致金属接触面之间摩擦运动水平的增加。因此，随着振幅的增大，摩擦作用使氧化膜进一步减少，从而提高接头质量。但由于过高的振幅会导致界面结合不完整，出现孔隙和裂纹等缺陷，削弱接头强度，使接头质量严重下降。

3.焊接能量对接头质量的影响

在焊接振幅45μm，焊接压力0.28MPa下，进行焊接能量分别为300，500，700，900J的超声波焊接。

如图4所示，接头的最大拉剪载荷随焊接能量变化：当焊接能量增大时，接头的最大拉剪载荷先增大，在焊接能量700J时达到最大值1359N，随着焊接能量的继续增加（900J），最大拉剪载荷有所减小。

图4焊接能量对铝－铜接头质量的影响

结论：

焊接压力、焊接振幅和焊接能量对铝－铜异种接头质量的影响很大。过小过大的参数值都会导致接头质量的下降，其中合理的焊接工艺参数组合为0．28MPa，45μm，700J。

超声波焊接过程中，铝发生了剧烈的塑性变形，内部塑性变形严重，呈现硬度从材料界面到表面逐渐降低的变化趋势，即出现了加工硬化现象。

低能量时（300，500J），焊接接头Al侧的硬度与母材Al的硬度（HV48．6）相比没有明显的变化，Al侧材料硬度值普遍接近母材本身硬度值，随着能量的增大（700，900J），在焊接界面边缘处开始出现焊接热影响区，接头焊接区硬度先升高再降低，这是加工硬化和材料软化综合作用导致的。

通过对各能量值下金相图和硬度曲线的对比分析，得出随着能量的增大（300，500，700J），界面连接长度增加及结合质量逐渐提高，接头质量提升；当能量进一步提高（700，900J），由于材料软化作用的影响，接头质量逐渐下降。

参考文献：

[1]金属超声波焊接技术及其应用[J].刘晓兵，李鹏，夏慧，姜风春，申世坤.热加工工艺.2015（15）

[2]铜—铝的超声波焊接[J].刘鑫.铁道机车车辆工人.2000（08）