超聲波焊接鎳/鋁異種金屬研究

摘 要：超聲波焊接屬于壓焊，該方法是在靜壓力作用下利用超聲波高頻率的彈性機械振動把工件的彈性振動能轉變成摩擦功與形變能，對工件進行清理和焊接。超聲波焊接主要用于連接金屬材料、半導體材料、塑料和金屬陶瓷等。因為焊接速度快，焊接質量好、密封性好、焊接過程安全穩定等優點，超聲波金屬焊接在工業上得到了十分廣泛的應用。文章使用超聲波焊接金屬的方法對鎳N4和鋁1060焊接，研究了不同的焊接工藝參數對給接頭顯微組織帶來的的影響。改變焊接時間和焊接壓力等焊接工藝參數對鎳/鋁異種金屬進行焊接，最終確定焊接可焊范圍為：焊接時間50～110ms，焊接壓力0.25MPa～0.35MPa，接延時400ms。將焊接時間取為50ms、80ms、110ms，焊接壓力取為0.25ms、0.3ms、0.35ms，得到9組焊接參數，并分析了各參數下的焊件試樣。對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光以及腐蝕，使其滿足觀察要求，再對焊件成形進行分析，比較得出最佳的焊接試樣。

關鍵詞：超聲波焊接；鎳；鋁；顯微組織

引言

隨著有色金屬應用的日益廣泛，其連接技術也隨之備受關注。工業純鎳具有優異的耐腐蝕性，在工業生產中，純鎳主要用來制造不銹鋼以及其他抗腐蝕合金，也用來做加氫催化劑以及陶瓷產品、電子線路、玻璃著綠色和制備Ni的化合物等。所以，優化純鎳材料的焊接工藝、控制焊接缺陷是保證設備制造質量的關鍵環節。純鎳的液態凝固過程沒有相變，非常容易生成低熔點的共晶體，出現熱裂紋等缺陷；在傳統焊接過程中，焊接快速冷卻凝固過程極易出現裂紋、氣孔以及晶粒粗大等缺陷，嚴重影響焊接接頭的耐腐蝕性能與機械性能。鋁的密度小、延展性好，耐蝕、導熱以及導電等性能優良，而且在很低的溫度下依然能夠得到滿意的力學性能，在化工、機械、交通、建筑、航空航天、日常生產生活等領域得到了廣泛的普及。鋁極易形成致密的Al2O3氧化膜，吸附水分，在傳統焊接過程中易造成焊縫夾雜與氣孔。這些都是焊接生產中頗感困難的問題。總的來說，國內外常采用傳統的焊接方法（如MIG、TIG等）對此類金屬進行焊接，但所焊接的接頭強度不夠，且焊縫容易產生氣體、夾渣、裂紋等缺陷，同時被焊金屬表面狀態對焊接質量影響大。焊縫中容易出現焊接變形和氣孔，殘余應力較大，且對應力腐蝕敏感，不能充分發揮材料的性能。因此，探索新的焊接方法在鎳、鋁構件材料中的運用，是非常必要和非常迫切的。

1 超聲波焊接原理

1.1 焊接原理

超聲波焊接的基本原理如圖1所示，超聲波發生器是一個變頻裝置，將工頻電流變成超聲波頻率（15～60kHz）的振蕩電流，經過換能器向焊件輸出彈性機械振動。焊接時，待焊工件被上、下聲極壓緊，在彈性機械振動的作用下，經過摩擦、升溫以及變形，使表面附著物破壞、碎化，使界面間金屬原子無限接近，形成牢固的焊接接頭。待焊金屬工件焊接時，伴隨著接觸面的物理冶金過程，原子之間出現了結合與擴散現象，焊接過程中沒有電流經過焊件，是一種特殊焊接過程，具有摩擦焊、擴散焊的某些特征。

1.2 接頭形成過程

超聲波焊接過程中，上聲極把超聲波的彈性機械振動傳送給工件接觸界面，在靜壓力作用下，發生相對摩擦。隨著摩擦面的擴大，氧化膜和其他表明附著物不斷受到排擠、碎化與分散。接觸面溫度升高，焊件的變形抗力下降。在彈性機械振動與靜壓力的共同作用下，接觸表面持續塑性流動，被碎化的氧化膜不斷分解，深入工件內部，使純凈界面間的金屬原子無限接近直至能發生引力作用，表面晶體能和擴散過程導致了再結晶現象。摩擦過程的進行使微觀接觸面積增大，發生嚴重的塑性變形，此時焊接區域能發現渦流狀的塑形流動層，出現工件表面的機械咬合。當焊件的結合力超過上聲極和上工件表面的結合力，在振動切變力作用下，上聲極與上工件很容易分離，焊件之間形成牢固接頭。

1.3 材料的焊接性

焊接性是指材料在焊接工藝下能夠形成可靠接頭同時能夠正常使用的能力。金屬材料的焊接性主要由材料硬度和晶格結構決定。超聲波焊接對于面心立方晶格結構的金屬比較適用，如Cu、Au、Ag、Ni、Pt等；對于六方晶格結構的金屬，如Mg、Ti、Zn、Zr等，可焊程度受限。原理上說，金屬硬度增加會導致焊接性降低。不適合超聲波焊接的金屬通過一些方式可以有效改善焊接性，如預熱、插入其他金屬箔、涂上金屬涂層等。

2 實驗方案

2.1 實驗材料

本研究的待焊材料是0.2mm厚的鎳N4薄片和0.2mm厚的鋁1060薄片。主要成分如下：

其中，鎳N4是具有鐵磁性的銀白色金屬，質堅硬，能夠高度磨光和抗腐蝕，具有良好的機械強度和延展性，密度為8.902g/cm3，熔點1726K。主要用來制造不銹鋼等抗腐蝕合金，也作加氫催化劑和用于陶瓷制品、電子線路、玻璃著綠色和鎳化合物制備等。鋁1060含鋁量達到99.60%以上，屬于工業純鋁。該種鋁生產過程單一，技術成熟，成本低廉，有良好的延伸性和抗拉強度，易承受各種壓力加工和引伸、彎曲。鋁在空氣中易被氧化形成一層致密的Al2O3氧化膜，因而耐蝕性好。實驗材料預處理過程如下：（1）按規格120×40×0.2mm裁剪N4和1060薄片；（2）用酒精對兩種金屬試樣的表面進行清理。

2.2 實驗設備

超聲波焊接實驗設備是NC-2032型超聲波金屬點焊機。點焊機的主要構成部分有超聲波發生器、電氣控制箱、焊頭和氣動部分。在超聲波金屬焊接過程中，振動頻率和振幅固定不變，焊接時間和焊接壓力可以進行調整。該超聲波金屬點焊機的技術規格如表3所示。

2.3 實驗方法

本實驗采取同向搭接的方式進行鎳/鋁超聲波焊接，以便制作焊接試樣金相。

焊接中，將待焊工件夾持在上聲極和下聲極之間，保持工件與上下聲極貼合在一起，并施加一定的焊接壓力進行焊接，從而實現鎳/鋁的連接。

（1）接通電源：單相AC220V，50Hz電源；（2）接通氣源：空壓源壓力范圍0.2～0.6MPa，通過氣源調節閥調節壓力大小；（3）打開發生器電源，電源指示燈亮；（4）設定焊接壓力、焊接時間和焊接延時時間，開始焊接；（5）根據焊接牢固程度調整參數，進行焊接。

3 微觀組織分析

3.1 接頭組織特征

（1）機械嵌合：焊接工件的接觸界面發生明顯的塑性流動以及犬牙交錯的機械嵌合，有利于焊件接頭強度的提高。（2）金屬間的物理冶金：超聲波金屬焊接過程可能存在再結晶、擴散、相變和金屬間化合物形成等一系列的物理冶金現象。至今為止，這一類的研究不多，缺少實驗支撐，而且短時間焊接的情況下接頭中不一定出現上述變化照樣可以形成接頭。（3）金屬原子間的鍵合：接頭中，焊接界面出現的大量被歪扭的晶粒的尺寸與母材金屬的晶粒并沒有顯著差異，焊件依靠金屬原子鍵合連在一起。待焊材料在摩擦作用下產生變形與塑性流動，使金屬表面得以接觸，持續的振動和溫升造成金屬晶格原子激活，就可能使原子間相互作用形成金屬鍵。（4）界面微區熔化現象：超聲波焊接時，微區焊接溫度無法準確測量，因此不排除出現局部熔化現象。高倍透射電子顯微鏡分析中觀察到，在連結區微細晶粒的轉角處，存在非熔化質點，這是該處金屬加熱熔化之后凝固的特點。也就是說，超聲波焊接時界面薄層或局部發生了短時間熔化隨即高速冷卻的過程。

3.2 超聲波焊接實驗

超聲波焊接過程中，采用不同的工藝參數進行焊接，需要調整的工藝參數有：焊接延時、焊接時間、焊接壓力。鎳/鋁超聲波焊接過程中，當焊接延時時間變化范圍是300～500ms時，接頭焊接效果沒有變化，因此，可以得出結論：焊接延時在一定范圍內對焊接效果幾乎沒有影響，故本實驗統一取定焊接延時為400ms。當焊接壓力是0.3MPa，焊接時間為40ms時，鎳鋁無法有效連接；焊接時間為50ms時，待焊工件能夠有效連接；焊接時間是120ms時，焊件表面出現明顯壓損，開始斷裂，因而也無法滿足焊接要求。當焊接時間是80ms，焊接壓力為0.2MPa時，接頭焊接不足，不能有效連接；當焊接壓力是0.4MPa，造成焊件壓潰。另外，在其它極端參數下無法保證鎳/鋁的可靠連接，故確定可焊范圍為：焊接時間50～110ms，焊接壓力0.25MPa～0.35MPa，焊接延時400ms。選取表4焊接工藝參數對鎳/鋁實施超聲波焊接，得到9組焊接參數下的試樣，并對各參數下的焊件試樣進行分析。

3.3 金相試樣制備

（1）取樣超聲波焊接實驗完畢后，沿所得試樣焊接接頭截面中間垂直剪開，取中間焊合的部分作為分析試樣。

（2）鑲嵌因焊件試樣非常小，而且用于觀察界面組織特征，所以必須進行鑲嵌。鑲嵌時，待溫度上升至110℃時進行壓力加載，保溫8～12min即可。

（3）打磨將鑲嵌試樣依次用400#、800#、1000#、1500#、2000#的水砂紙進行打磨。砂紙粒度由粗到細，打磨過程中，用力應輕時間應短，保持試樣與砂紙平行，摩擦方向與試樣條形走向一致。磨光后用水清洗，以避免磨面上殘存的磨料微粒與游離金屬劃傷試樣表面。

（4）拋光在拋光機上用細絨布和金剛石研磨膏（粒度2.5μm）和對試樣進行機械拋光，除去打磨后留下的劃痕，將觀察面拋光成接近光滑鏡面。用金相顯微鏡觀察接頭顯微組織并記錄。

3.4 焊接工藝參數優化

本文因限于實驗條件，僅將拋光得到的焊件試樣用金相顯微鏡進行觀察，分析焊接工藝參數的不同對接頭界面的顯微組織造成的影響。不同焊接時間下的接頭焊縫微觀組織，可以看出，焊接時間為50ms時，接頭焊接效果非常好，焊接界面整齊，鎳/鋁異種金屬完全結合；當焊接時間為80ms，鋁上表面已經出現了壓潰的現象，焊頭上的凸點把鋁薄片大部分壓穿，焊接效果不佳；當焊接時間為110ms，焊接接頭的接觸界面雖然緊緊貼合在一起，但是鋁片全部被焊頭壓穿，壓損的程度更加嚴重，接頭質量受到了嚴重的影響。

焊接時間對接頭質量影響很大，焊接時間不夠，金屬表面氧化膜來不及被氧化，只形成幾個凸點間的焊接，接頭強度低，甚至不能有效形成接頭，如在焊接壓力為0.3MPa，焊接時間為40ms時，鎳/鋁接頭無法有效連接。隨著焊接時間的延長，超聲波能量在兩焊件之間產生充分的振動，從而使鎳/鋁焊接接頭獲得足夠的能量，可以增加焊件之間的接觸面積，有利于焊點強度快速增加，而且在某個焊接時間范圍之間接頭強度持續增加。當焊接時間超過一定的范圍，焊點強度轉而開始減小，這是因為焊件的熱量增加過多，溫度升高，塑性增強，上聲極表面的微齒陷入焊件中，使焊件產生嚴重變形，容易使焊點發生壓損，而且使焊件之間的接觸面積減小，所以接頭強度降低。不同焊接壓力下的接頭焊縫顯微形貌，可以看到，焊接壓力為0.25Mpa時，焊接界面出現了一大段沒有焊合的區域，實際上沒有形成理想的連接；焊接壓力為0.3MPa時，焊接界面整齊，完全焊合，鎳/鋁異種金屬完全結合在一起，接頭焊接效果非常好；當焊接壓力為0.35MPa時，鋁薄片完全被上聲極凸點壓穿，甚至陷入了鎳薄片里面，造成接頭實際結合面減小，焊接效果不好，接頭質量差。

根據上述分析可知，在工件位置為鋁在上鎳在下、焊件表面清潔的條件下，當焊接時間為50ms，焊接壓力為0.3MPa，焊接延時為400ms，接頭焊接效果最佳，得到了最佳的焊接接頭。焊接過程中，焊接壓力為0.3MPa時，焊接時間在一定范圍內（50ms～100ms）會提高焊接接頭強度，但焊接時間過長（超過120ms），會使焊件壓潰，產生裂紋。同樣地，焊接時間為80ms時，當焊接壓力持續增加時，在一定范圍內（0.25MPa～0.35MPa）使焊接界面的焊合率增大。但焊接壓力過大（超過0.4MPa）時，鎳/鋁焊接接頭強度不升反降。

4 結束語

在實驗過程中，嘗試過用腐蝕液對接頭金相試樣進行腐蝕。由于鎳、鋁的化學性質相差較大，不同的金屬必須使用不同的腐蝕溶液，但腐蝕效果不明顯，經過多種腐蝕溶液的嘗試，均無法觀察到鋁的明顯組織特征，在今后研究中需要找到理想的腐蝕劑進行腐蝕。實驗過程中發現，當未對鎳、鋁進行表面清理時，鎳/鋁焊接不足，無法實現有效連接；在其他工藝參數不變時，清理后的焊件能夠形成可靠接頭。其中的具體原因也是值得探究的。影響鎳/鋁焊接接頭微觀形貌的因素可能還有工件的相對位置，焊件的厚度等，這些都有待研究。關于鎳/鋁超聲波焊接接頭的具體形成機理，限于實驗條件，本文的探討有限，但它一定是值得我們去不斷研究的。隨著實驗條件的改善，還有待于進行深入的探究以揭示其本質機理。

參考文獻

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第1卷焊接方法與設備）[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]王宋.超聲波焊接機理及實驗裝置研究[D].鄭州：河南理工大學，2009.

[3]王軍.鋁片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接顯微試驗[J].焊接技術，2009，38（3）：9-12.

[4]張銥洪，馬傳藝，楊圣文，等.鋁片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接機理研究[J].焊接技術，2007，36（5）：14-18.

作者簡介：張磊（1977-）女，河南鄭州人，本科，講師，研究方向：金屬材料與熱處理.