Page 200 - 《应用声学》2024年第6期

1376 2024 年 11 月

analyzed using infrared thermography, optical microscopy, tensile shear tests, and scanning electron microscopy
(SEM). The results show that the 0.05 mm thick nickel interlayer softening and thinning under the action of
high temperature in ultrasonic welding, which acts as a lubricant between the plates and reduces the friction
resistance between the plates. The welding temperature is higher than that of other interlayers, and the
temperature is not sensitive to the thickness changes of other interlayers. As the thickness of the nickel interlayer
increased, the peak load of the joint first increased and then decreased, showing a significant correlation between
the mechanical performance of the joint and the thickness of the interlayer. After the failure of 0.10 mm thick
nickel interlayer, its plastic flow ability is poor, resulting in the joint interface is wavy. There are three
interface bonding modes of aluminum-nickel, copper-nickel and aluminum-copper, which are better than other
joints in tensile strength and impact resistance. SEM analysis revealed that the failure mode on the copper
side was ductile fracture, while on the aluminum side, it was a mixed ductile-brittle fracture. Therefore,
the thickness of the nickel interlayer has a decisive impact on the mechanical performance and failure modes
of aluminum/copper ultrasonic welded joints, and selecting an appropriate interlayer thickness is crucial for
enhancing the performance of the joint.
Keywords: Ultrasonic welding; Al/Cu dissimilar metals welding; Nickel interlayer

极影响，然而不同厚度镍夹层对铝铜异种金属超
0 引言 声焊接头的影响未见报道。本文通过在铝/铜间添

加0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm厚镍夹层，
随着新能源汽车技术的成熟应用，汽车领域对
分析不同厚度镍夹层对铝/铜超声焊接头影响，使
铝/铜复合构件的需求急剧增加。采用超声波焊接
用扫描电子显微镜 (Scanning electron microscope,
技术的铝/铜连接件已广泛应用于新能源汽车电池
SEM) 分析添加中间层对铝/铜接头界面材料塑性
极耳 [1] 。
流动的影响，采用GAODE IPT640M红外热成像仪
研究学者对铝/铜连接进行了大量研究，常见
测量焊接过程材料表面温度，并对接头进行拉伸试
的焊接方式有熔钎焊、搅拌摩擦焊、激光焊、TIG
验，分析不同厚度镍夹层的失效形式。
焊和超声波焊接 [2−3] 等。超声波焊接属于固相焊
接，具有高效、清洁、焊接范围广等优点，在同/异种 1 试验材料与方法

金属焊接区域得到了广泛应用 [4−5] 。然而，受铝材
物理特性以及铝铜焊接界面挑战的限制，腐蚀脆弱 1.1 试验材料与焊接参数
性和铝铜焊接界面脆性金属间化合物负面地影响 试验采用尺寸110 mm×25 mm×2 mm 1060铝
了铝铜超声焊接头的机械性能和导电性。文献 [6] 和 T2 紫铜，采用铝上铜下搭接方式，镍中间层长宽
研究了添加镍中间层对铝铜超声焊接头腐蚀行为 为 25 mm，厚度分别为 0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm
的影响，电阻测试表明未添加中间层样品更易受腐 和0.2 mm，因超声波焊接时产生的高频机械振动能
蚀。文献 [7–8] 研究了温度载荷对镍中间层铝铜异 去除材料表面的氧化物及其他杂质，因此无需对焊
种金属超声焊接头的影响，结果表明添加镍中间层 接试样进行表面处理，各材料化学成分见表1。
样品较无中间层样品在热载荷作用下将葆有更多
表 1 1060 铝、T2 铜、镍化学成分
接头强度。文献 [9–10] 研究了焊接能量单一因素对 Table 1 Chemical composition of Al、Cu、Ni
铝/铜超声焊接的影响，结果表明焊接能量较小时 (单位: %)
局部区域存在空隙，随着焊接能量的增加铝/铜界 材料 化学成分
面逐渐形成机械互锁，这有利于接头强度的提高， 1060Al Al Si Cu Mg Zn Mn Ti V Fe
99.60 0.25 0.05 0.03 0.05 0.03 0.05 0.05 0.35
当焊接能量进一步增大时，结合界面生成主要成为 Cu O Pb Ni Zn Fe S As Bi
Al4Cu9、Al2Cu等金属间化合物。 T2Cu 99.9 0.02 0.002 0.002 0.001 0.002 0.002 0.001 0.0007
上述研究表明添加镍中间层对铝铜超声焊接 Ni Mn Si C Cu Fe S Mg Cr
Ni
头耐腐蚀性能以及抑制金属间化合物生成具有积 99 0.05 0.10 0.10 0.10 0.10 0.005 0.10 0.006