Page 201 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 邓建雄等： 镍夹层厚度对铝/铜超声焊接头力学性能影响 1377

超声焊接测温系统及板材尺寸、搭接顺序如 接压力0.6 MPa，焊头面积为16 mm×11 mm，齿深
图 1 所示。焊接设备采用广州新栋力公司生产的超 1.75 mm。此焊接设备具有时间和能量两种焊接模
声波焊接机，其额定功率为8 kW，工作频率20 kHz， 式，经前期大量试验，本次试验选用能量模式，焊接
最大焊接时间为 1500 ms，最大振幅 12 µm，最大焊 压力为0.3 MPa，50%恒定振幅，焊接能量为2500 J。
25 110

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᪞ 2
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0.05 mm 0.10 mm 0.15 mm 0.20 mm
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图 1 超声焊机和试件几何尺寸 (单位: mm)
Fig. 1 Ultrasonic welder and specimen geometry (unit: mm)

1.2 接头微观形貌与力学性能表征 看出镍夹层铝/铜超声焊接具有升温、降温速度快
使用线切割将试样沿焊接中心区域切开，使用 的特点。这是因为超声波焊接过程中板材在焊头静
由粗到细砂纸对切割截面进行打磨，再将试样浸泡 压力和高频振动共同作用下摩擦产生大量热，焊接
在乙醇溶液中超声波清洗 30 min。使用光学显微 停止后会保压一段时间，板材间相对静止且温度开
镜和 SEM 对截面形貌进行观察。拉伸剪切试验在 始下降，焊头离开板材后最高温度点从焊接边缘区
美国 MTS(CMT4304 型) 微机控制万能试验机上进 域转移到板材表面焊接中心，导致温度小幅回升。
行，拉伸速度为 1 mm/min，结果取 3 个试样拉伸力 260
᪞, Ԓ0.05 mm
平均值，采用SEM对接头失效断口形貌进行分析。 240 ᪞, Ԓ0.10 mm
220 ᪞, Ԓ0.15 mm
200 ᪞, Ԓ0.20 mm
2 结果与分析
180
ພए/C 140
2.1 镍夹层铝铜焊接热循环特点分析 160
超声波焊接过程热量主要有摩擦产热和材料 120
塑性变形产热，摩擦产热是超声焊接的主要热量来 100
80
源，超声焊接热循环曲线反映了超声焊接过程中的 60
热源特点 [11] 。不同厚度镍夹层温度循环曲线如图2 40
所示。添加 0.05 mm 镍夹层超声焊接温度最高，这 0 2 4 6 8 10
௑ᫎ/s
是因为镍夹层在高温作用下发生软化，在焊接界面
图 2 镍夹层温度热循环曲线
起到了润滑剂作用，减小了界面的摩擦阻力，更多能
Fig. 2 Nickel sandwich temperature thermal cycle curve
量在铝/铜板材间传递使得温度进一步增加。材料
表面最高温度达244 C，根据 Elangovan等 [12] 建立 2.2 接头成型质量
◦
的超声焊接中心区域与边缘温度关系，焊接中心最 不同厚度镍夹层铝铜焊接中心横截面如图3 所
高温度约为 344 C，未达到铝铜共晶点 (548 C)，验 示，图3(e)∼(h)是SEM拍摄相应截面放大100倍后
◦
◦
证了超声焊接属于固相连接技术 [13−14] 。其他厚度 的微观形貌。图 3 中焊接微观截面只有 0.1 mm 厚
镍夹层对铝铜超声焊接温度并无太大影响，材料表 镍夹层连接界面出现波浪状嵌合，其他厚度镍夹层
面最高温度均在190 C左右。 均呈现一条直线。将截面部分区域放大后 0.10 mm
◦
0.05 mm 厚镍夹层焊接过程如图 2 所示，可以 镍夹层明显发生破坏使得铝向铜侧发生塑性流动