1、Welding Technology V0139 No12 Dec2010 题综述- 1文章缡号：1002025X(2010)12-0001-06超声波金属焊接的研究现状与展望朱政强，吴宗辉，范静辉(南昌大学机电工程学院，江西南昌330031)摘要：超声波金属焊接的节能、环保、操作方便等突出优点越来越受到人们的重视。超声波全属的焊接已广适应用在众多领域。本文简单介绍了赶声波金属焊接基本原理和优缺董。概迷了赶声波金属焊接的田内外发展现状。并对超声波金属焊接的发展前景做了具体的展望。关键词：超声波；金属焊接；研究现状；展望中圈分类号：田G4539 文献标志码：AO序言超声波金属焊接是一种特种连接技
2、术。自1950年美国人发明该技术以来。已在工业上得到了广泛的应用。超声波金属焊接还在电子工业、电器制造、新材料的制备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术方面都有很广泛的应用加上其节能、环保、操作方便等突出优点，对于我国建设资源节约型、环境友好型的现代化社会，超声波金属焊接将发挥很大的促进作用。l超声波金属焊接原理及特点超声波金属焊接原理是利用超声波频率(超过16 kHz)的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。在对金属进行超声波焊接时。既不向工件输送电流。也不向工件施以高温热源。只是在静压力作用之下。将弹性振动能量转变为工件界面间的摩擦功、形变能及有限的温升。使得
3、焊接区域的金属原子被瞬间激活，两相界面处的分子相互渗透，最终实现金属焊件的同态连接。其焊接原理示意网如图l所示。收稿日期：2010-09-29基金项目：困家自然基金资助项目(50865007)；江两省青年科学宋(井冈之星)培养对象计划资助：江西省救霄厅2010年度重点科技项目(GJJi0013)圈l量耳渡盒一焊接曩理示l田11 超声波金属焊接的优点超声波金属焊接压力小，能耗低，且能焊接异种金属材料。基于这些特点可通过综合利用超声波金属焊接技术和数控铣削技术来使金属零件快速成形。并在成形过程中埋人功能器件来制作智能金属基复合材料等。金属超声波焊机可进行点焊、连续焊。其焊接速度快。在应用范围方面。
4、即使材料间的物理性能相差悬殊，也能很好地焊接；还可进行其他方法无法奏效的金属箔片、细丝、微小的器件及厚薄悬殊、多层金属片的焊接。超声波金属焊接焊点强度高，且其稳定性好。具有高抗疲劳强度特征。(蓟焊接过程无需采用水冷和气体保护，被焊工件的变形很小。焊接完成后工件无需进行退火等热处理。超声波金属焊接过程本身包含着对焊接件表面氧化层的破碎清理作用。焊面清洁美观，无需像其他焊接方法那样进行焊后清理。金属的超声波焊接不用焊条。焊接区不通电。不直接对被焊金属加热。焊接同一工件金属，与焊万方数据2 专题综述 焊接技术 第39卷第12期2010年12月条电弧焊、气焊相比，超声波焊能耗要小得多。 许多学者对超声
5、波焊接能否达到金属熔点形成由于不需要添加焊剂。不污染被加工物，不产 致看法：超声波焊接是固相连接，只能达到金属熔点生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染，因而是一 的3550。而华南理工大学机械工程学院的杨圣种节能环保焊接方法。 文和汤勇在铜片和铜管超声波焊接试验基础上研究超由于超声波发生器是功率电子线路，易于实现 声波焊接机理，他们通过SEM图来观察金属微观组电气控制。能很好地与计算机配合进行焊接控制，从 织和能量角度分析。最后得出结论：认为铜片与铜管而达到高精度的焊接。并且易于实现焊接的信息化和 的超声波焊接过程更可能是一种基于焊接区域纯洁金自动化。12超声波金属焊接的不足把超声波应用于金属
6、材料焊接中，虽然可以得到很好的焊接效果但是超声波发生器和声学系统与机械系统相结合的整个系统其稳定性、可操作性、可靠性等方面还存在问题。所以声学系统(换能器、变幅杆、连接部分)的设计，以及声学系统与试件的连接方式等，都是十分关键的问题。对金属超声波焊接机理的认识不足。超声金属焊接是否无金属熔化。仅仅是一种固相焊接方法，或者说是金属间的“键和”过程，还有待进一步研究。(D超声波金属焊接影响工艺参数因素较多，不易进行总结。(D由于焊接所需的功率随工件厚度及硬度的提高而呈指数增加，而大功率超声波焊机的制造困难，且成本很高。随着焊接功率的进一步提高。不仅在声学系统的设计及制造方面将会面临一系列较难解决的
7、问题，而且未必能取得预期的工艺效果。因此目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件。超声波焊机的“开敞性”比较差，工件的伸入尺寸也不能超过焊接系统所允许的范围。接头形式目前只限于搭接接头。焊点表面容易出高频机械振动而引起边缘的疲劳破坏。对焊接硬而脆的材料不利。目前来讲，对超声波焊接的焊接质量的检测还是比较难做的，无损检测设备还没有普及，常用方法无法用来监控，这也给大批量生产造成一定困难。2国内外研究现状21国内研究现状国内对超声波金属焊接工艺的研究主要集中在超声波点焊的试验研究方面。属充分贴合和微齿表面局部高温而熔化基础之上的金属键合、机械嵌合等作用的物理冶金过程。认为超声波焊接可能使金属熔化或至少达到
8、金属熔点的80从而实现金属的冶金焊接。江苏大学材料科学与工程学院张青来和王粒粒研究了表面状态、焊接材料厚度等因素对AZ3lB镁合金薄带超声波焊接性能的影响认为由于超声波金属焊接对焊接件表面破碎及清理作用。表面状态对镁合金薄带的焊接强度影响较小，且试验表明中间层材料的选择对镁合金超声波焊接有一定影响还认为焊接区域的温度升高与焊接材料厚度成反比。华南理工大学机械工程学院张铱洪和马传艺基于铜铝材料性能分析。推导出焊接区域理论温度，并结合实测温度与焊接区域扫描电镜图片探讨了铝片一铜管太阳能集热板超声波金属焊接机理。认为超声波焊接接头的形成是材料自身塑性、施加压力以及摩擦升温共同作用的结果。王军和贺占蜀
9、通过对铝片一铜管太阳能集热板超声波焊接的金相组织、扫描电镜(SEM)和能谱分析，得出4个重要机理。巨大的塑性变形和机械嵌合引起位错和空位密度的增大。直接导致扩散程度的加深，而扩散和机械嵌合又可以大大提高金属“键合”的可能性。金属“键合”则直接导致这2种材料结合为一体。因此，材料塑性变形、机械嵌合、金属“键合”以及原子扩散共同影响着Cu。AI超声波焊接的质量。国内研究者还对金属导线与焊盘的超声波点焊性能进行了研究。分析了仙AU与Au，Al焊接界面在恒温下的时效反应情况发现Al，AU焊接界面具有更好的热稳定性。并认为高频超声振动将提高金属晶格内的位错密度，产生位错扩散与表面扩散，而形成金属超声波结
10、合。万方数据Welding Technology V0139 No12 Dec2010 专题综述 3在焊接性能的模拟分析方面，香港科技大学 预处理，可以有效提高其焊接线性密度。Yong Ding等人基于材料应变率和塑性应变硬化特性， 另外。为了探索利用超声波固接技术来制造智能对Au线与AuNiCu焊盘的超声波点焊进行2D及 金属结构，Kong等人尝试在铝合金薄片间埋人形状3D仿真，得出焊接区域的应力应变分布，并根据仿 记忆合金纤维与光学纤维。试验表明，在优化焊接工真结果分析了实际焊接区域情况以及摩擦能量对焊点 艺参数范围内。对温度敏感的SMA和易破碎的光学强度产生的影响，发现焊接接口呈现出长椭
11、圆形状， 纤维都被成功埋入到铝合金薄片中，如图2所示，没且最大的焊接结合出现在焊接接口周围，认为摩擦能 有出现明显的变形与损坏。在埋人SMA的焊件接口量是影响焊接质量的重要因素之一；另外，基于非耦 发现了明显的未连接痕迹，认为可能是由于SMA具合热结构特性进行了3D有限元仿真。得出Au线与 有较高的阻尼率。在焊接过程中吸收了部分超声波振AuNiCu焊盘的超声波点焊温度分布图，认为在焊接 动能量，因此需要更大的超声波能量来获得更完全的过程中焊接件的平均温度较好地低于金属熔点，焊接 焊接；并分析了焊件的热机械响应情况，发现在焊件接口的局部高温是焊接固态结合的重要原因。 温度高于SMA相变温度后。热
12、膨胀率开始偏离线性上述有的研究工作在某些方面存在不足，如：张 状态。在埋人多模光学纤维试验中采用了2种方案，铱洪等人虽然通过弹塑性理论推导出了焊接区域的理 即直接埋入带聚合物保护层的光纤与埋人去除保护层论温度，但其没有分析温度场与摩擦系数间的相互影 的裸光学纤维。第1种方案由于部分聚合物保护层被响；Yong Ding等人对焊接过程进行了有限元仿真分 熔化并驱散分布于焊接接121周围降低了焊接接13强析，但没有考虑到焊接过程的热机械性能之间的相互 度；在第2种方案中，通过测量埋入于铝合金中光纤作用对应力应变及温度场的影响。国内的研究工作没 的透射光强度来衡量光纤的完整程度。得出了最佳埋有涉及或者
13、深入探讨超声波金属焊接机理的一些重要 人处理参数，为今后的进一步研究提供了依据。因素，如：焊接过程中热机械性能间的相互作用、高频超声振动对材料塑性流的作用等。从而不能充分揭示超声波金属焊接的机理。22国外研究现状国外对超声波金属焊接的工艺进行了更为深入的研究。下面将从试验与模拟研究两方面分别对该技术的国外研究情况进行介绍。英国拉夫堡大学Kong等人通过大量试验分别得 田2 SMA成功坦入铝台盒出了O1 mm厚3003与6061这2种铝合金薄片各自最 美国俄亥俄州立大学的De Vries通过红外线摄像佳的滚焊焊接工艺参数范围，并结合线性焊接密度 机测量了铝合金薄片超声波焊接过程的温度，在不同(真
14、实焊接连接区域占整个焊接面积的比例)与焊接试 焊接工艺参数条件下，一般为金属熔点的40一80。样剥离强度以及微观组织分析来评价试样的焊接质量。 Cheng等人通过微传感阵列对铜合金与镍2种金属的试验表明，在超声波振动与施加静压力的双重作用下。 超声波焊接过程中热量产生与温度分布情况进行了研焊接接VI产生摩擦与塑性流。使得焊接接口铝合金薄 究，认为焊接过程温度一般为100250。片表面的氧化膜破碎而逐渐形成连接点；随着振动的 Gunduz等人研究了在高温条件下(513 K)铝与持续，氧化膜将被阻挡在焊接接El外，并在较大的振 锌2种金属超声焊接的情况。发现焊接过程中焊接接幅下被驱散，而得到较高的
15、线性焊接密度与焊缝强度。 口内扩散加剧，焊接金属出现部分熔化。认为材料空由于6061铝合金薄片的表面存在氧化膜，在焊接过程 穴聚集将增加到0I左右。材料扩散率也将变大。中不能有效产生摩擦来破碎驱散氧化膜，使其薄片间 Zhang等人对3003一H18铝合金薄片超声波焊接难以产生焊接连接点；通过焊前对6061薄片表面进行 的摩擦行为进行了研究，发现焊接过程中摩擦系数与万方数据4 引题综述 焊接技术 第39卷第12期2010年12月区域温度呈现出非线性关系，它随着温度的上升先变大再下降至室温时的水平。滑动速度对铝合金的摩擦系数影响很小。Jeng等人研究了不同焊接条件对超声波金属线焊接的结合强度产生的
16、影响。试验表明，连接温度对焊接初期的结合强度有着极大的影响，而焊件表面的粗糙度在焊接最后阶段成为决定焊点强度的主导因素；对于在不同焊接压力与粗糙度的焊接条件下，最大的结合强度出现在焊接初期。Janaki Ram等人对多种材料结构的超声波同接性能进行了研究试验表明：铝铜合金、镍基合金等材料均能与3003铝合金实现良好的焊接在现有焊接参数条件下AISl347不锈钢、黄铜与3003铝合金的焊接性能较差并在3003铝合金中成功埋入了SiC纤维与不锈钢线。认为超声波固接技术是制造多种材料结构的有效方法。Jahn等人研究了焊接底座几何形状与焊接能量对超声波点焊性能的影响，试验表明：焊点强度随着焊接热输入的
17、增大而提高，最后趋于一个稳定水平，低能量焊接样本拉伸后断裂在焊接接口。而高能量样本断裂出现在焊接接口的周围：在焊接能量上升初期，焊接孤立点不断出现，当焊接能量达到一定水平时，出现连续的焊接区域，焊接接口由平坦转变为波浪形状并且在整个能量上升阶段伴随着变形微观组织的出现：在焊接接口的孤立点与变形微观组织周围存在着微孔经过等温退火处理后，观察到焊接区域内部颗粒生长，但多孔界面微观结构不受影响。“等人研究了超声波焊极表面的纹理组织对超声波焊接性能的影响，通过试验发现，当焊极表面的纹理组织较差时在振动振幅超过一定门限值后，由于焊极与金属薄片间产生滑动而导致大量超声振波动能量损失：粗糙的焊极表面能够增大
18、焊接接口的摩擦，具有较高的能量传递效率，另一方面这也将增大焊接接口的空穴水平，影响焊接质量。认为均匀、粗糙的纹理表面是实现良好焊接的前提条件。Li等人还对超声波同接纤维埋入过程中铝合金的塑性流与加工硬化情况进行了研究，试验表明：在埋入过程中SiC与SM光纤周围出现大量的塑性流和少量空穴：在埋人纤维周围的铝合金加工硬化显著。3003退火铝合金比6061退火铝合金出现更高的加1二硬化水平；由于埋人过程的差异而造成在3003退火铝合金中埋入SM光纤比埋入SiC纤维产生更少的塑性变形。认为在超声波固接加工过程中，塑性流引起的加工硬化可以依据HallPetch关系来计算，而金属薄片间的摩擦对加工硬化作用
19、不大。Gao与Doumanidis基于金属焊接接口的摩擦边界条件的定义，对金属薄片的超声波点焊过程进行了机械分析指出了摩擦与压力对焊接区域应变场形成所产生的作用认为该2D数值模型有助于研究焊接接口的应力集中、塑性流的产生及扩散等焊接现象。De Vries推导出一个超声波金属点焊的机械学模型。认为该模型可以预测在点焊过程中产生的切向力及其给点焊质量所带来的影响。并能够解释焊接材料特性、预焊件表面条件及点焊工艺参数对点焊过程产生的作用。有助于解决一些超声波金属焊接的现实问题。通过仿真与试验分析认为，焊接连接应力峰值随着材料厚度的增大而显著下降：材料的表面条件，尤其是摩擦系数对焊接质量和避免超声波焊
20、极出现粘焊现象至关重要：焊接区域的温度受选取焊接工艺参数的影响，最高温度出现在靠近超声波焊极的边缘处认为这可能是由于外部塑性变形比焊接区域内部的塑性变形产生了更多的热量，同时指出焊接过程的温度上升将对焊接材料的性能产生较大影响。美国塔夫斯大学的Yadav等人在忽略超声波焊极和焊接底座各自与金属薄片接口间的热传导与滑动、只有与超声波焊极接头表面的凸出相接触的上焊件区域才受到静压力与剪切振动等前提下对超声波点焊过程中的温度场进行了数值模拟。温度预测与试验测量结果相一致分析认为在金属焊接区域的温度适当上升与剧烈应变作用下，将产生晶格空穴聚集，并通过空穴内扩散而实现金属材料的结合。Daud等人通过试验
21、与仿真研究了1050铝合金在超声波作用下的拉伸与压缩行为，所有仿真都是在忽略温度变化影响条件下进行机械学分析，并通过改变超声振动过程中的摩擦力大小来计算1050铝合金的形变，分析认为，不能依据应力叠加与表面效应来解释超声振动在金属焊件上所产生的作用通过研究铝合金微观组织如何吸收超声能量，有可万方数据Wehling Technology V0139 No12 Dec2010 专题综述 5能解决这个问题。 接件；施加压力对点焊区域的变形产生重要作用，点Zhang等人认为在超声波金属焊接过程中存在热 焊接口的温度随着压力的增大而降低过大的施加压机械耦合相互作用：焊接条件的变化影响焊接摩擦条 力将导致
22、焊件接口变形。不利于焊接结合。该模型有件、摩擦过程中将产生热量、热量场影响焊接局部区 助于解释材料属性、表面条件及其他焊接参数对焊接域的塑性流与材料机械属性、最后塑性流与改变的材 行为带来的影响。料属性将反作用于焊接摩擦条件并认为摩擦对焊接结合及其质量起到了重要的作用。在假设塑性流对摩擦生热不产生影响、热量场主要由摩擦生成以及铝薄片表面与超声焊极间不存在滑动条件等前提下。提出了一个3D热机械有限元模型，来分析焊接过程的温度与塑性应变分布情况。分析认为。在焊接初期焊接接口区域的摩擦热流迅速上升，随着焊接的继续最终达到一个稳定水平，峰值温度出现在焊接接口；塑性应变有助于焊接结合形成，类似于温度场。
23、其最终达到稳定状态。最大的应变出现在焊接连接区域的中心附近，还发现塑性应变具有波形分布的特点。这可能是由于层叠的超声振荡波所造成的。Siddiq等人在充分考虑焊接过程中出现的表面效应与体积效应前提下提出了一个基于循环塑性理论的材料模型和一个依赖于滑动、连接压力、循环次数及温度的可变摩擦系数的摩擦准则。对6061铝合金薄片超声波滚焊过程的热机械性能进行了模拟仿真，仿真结果与试验结果具有良好的一致性。分析认为。焊接表面的摩擦并不是金属焊接结合的主要原因其主要是起到破碎及驱散焊接接口金属表面的氧化层和杂质的作用。焊缝形成主要是由于在原子力作用范围内的金属原子结合：焊接过程中温度仅为金属熔点的15一5
24、5，最高温度远低于金属的熔点；靠近超声波焊极的金属材料由于吸收了超声波能量。在焊极还未移动到它之上时提前出现预软化。并将沿着焊极运动方向持续这可能用来解释为什么在采用超声波金属滚焊埋入纤维试验中在纤维周围出现的材料流现象；由于热软化与超声波软化现象，导致焊接接口的摩擦应力减小。Elangovan等人在假设超声波焊头表面凸出均匀、焊接金属薄片间不存在空气间隙等前提下，对超声波金属点焊过程中不同焊接条件点焊区域的温度场、应力场等进行了数值模拟，分析认为，由于焊接件吸收超声波能量而产生更多热量。使得温度聚集更靠近焊3超声波金属焊接技术今后发展方向基于超声波金属焊接的优点。超声波金属焊接今后的发展方向
25、：金属中埋入FBG传感器，以制造智能金属复合材料与结构；可通过模拟埋入过程来进一步分析其焊接机制；以前的模拟均是从宏观角度通过热一机耦合研究超声波金属焊接温度场和应力分布今后从细观力学的角度研究超声波振动对晶粒和织构的影响也是未来研究的一个重要方向。参考文献：1陈思忠我国功率超声技术近况与应用进展J声学技术，2002，2l(1-2)：46192Jimmaru Tsujino，Tetsugi UeokaStudies 011 ultrasonic WeldingC】Proceeding of The China-Japan Joint Conference on UltrasonicsNanji
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