薄質金屬超聲波焊接的研究現狀與展望

劉曉光，蔣曉明，張 理，黃 丹，王振民

（1.廣東省智能制造研究所廣東省現代控制技術重點實驗室，廣東廣州510070；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

薄質金屬超聲波焊接的研究現狀與展望

劉曉光1，蔣曉明1，張 理1，黃 丹1，王振民2

（1.廣東省智能制造研究所廣東省現代控制技術重點實驗室，廣東廣州510070；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

概述超聲波金屬焊接的工作原理及其特殊優勢和缺點。詳細介紹當前國內外在薄質鋁、銅、鎳等金屬超聲波焊接的機理，工藝及組織、性能等方面開展的研究及其對超聲波焊接標準建立的參考價值，以及研究者們在超聲波焊接溫度場的模擬仿真方面開展的研究工作及其對超聲波焊接機理研究的指導意義。結合當前超聲波金屬焊接技術發展存在的局限性，總結和展望了該技術未來有待加強和突破的研究方向。

超聲波；金屬焊接；研究現狀；展望

0 前言

超聲波金屬焊接作為一種特殊的連接方法，自1950年由美國人發明問世以來，逐漸受到了廣泛關注，并在工業領域獲得了越來越多的應用[1]。該項技術可以在動力電池制造中實現傳統方法難以焊接的超薄鋁、銅、鎳合金等金屬合金以及異種金屬的連接，具有節能環保、操作簡便等優點。本研究首先概述了超聲波金屬焊接的原理及特點，并對當前國內外在薄質金屬的超聲波焊接技術在機理研究、工藝組織與性能研究以及模擬仿真研究三個方面進行了總結，并展望了其未來的發展方向。

1 超聲波金屬焊接原理和特點

1.1 超聲波金屬焊接原理

超聲波金屬焊接過程主要為待焊工件的界面之間在焊接壓力作用下發生高頻率的機械振動，進而產生剪切力，并且在摩擦過程中產熱，引發塑性變形，從而使工件達到固相連接的狀態[2-9]。

超聲波金屬焊接原理如圖1所示[10]。超聲波發生器將50 Hz的工頻電流轉變為16～80 kHz的諧振電流，通過逆壓電效應將諧振電流傳遞給超聲波換能器，轉換成彈性的機械能，再通過變幅桿將振幅放大，最終將彈性振動能量由上聲極傳遞給工件。聲學系統即為換能器、變幅桿、上聲極和夾持機構所構成的整體。在系統進行工作時，發生器中的震蕩電流頻率與聲學系統的自振頻率一致，整個系統處于諧振狀態。在對工件施加壓力的同時，也傳遞彈性振動能量，最終轉化為上下工件之間的摩擦功、變形能和熱能，可以使其在短時間內達到焊接狀態[11]。

圖1 超聲波金屬焊接原理

1.2 超聲波金屬焊接的特點

超聲波金屬焊接的優越性主要包括[11-12]：

（1）應用范圍廣。既可以進行快速點焊、連續焊，又可以焊接異種金屬材料，即使是物理性能差異較大的異種材料之間的焊接也同樣適用；在金屬箔片、細絲、微小器件以及薄厚差異較大、多層金屬片的焊接方面具有特殊優勢。

（2）節能環保。焊接過程無需焊條，焊接區域不通電，被焊金屬無需直接加熱，因此能耗比電、氣焊方法低很多；焊接過程不會產生任何焊渣、廢氣等污染物，且無需添加任何焊劑，更為環保。

（3）焊接過程中只產生局部短時高溫，不需要對焊件進行冷卻，焊接變形小，焊接本身可以對焊件表面的氧化膜等進行清理，焊接表面清潔美觀。

（4）焊接精度高。在電氣控制下，帶有功率電子線路的超聲波發生器能夠精準地與計算機配合進行焊接控制。

超聲波金屬焊接雖具有上述一系列優點，但也不可避免地有下述缺點：

（1）當焊接工件的厚度及硬度提高時，焊接所需功率呈指數增大，因而增加了超聲波焊機的制造成本。當所需功率過大時，聲學系統的設計制造和工藝效果都會產生一系列較難解決的問題，因此，當前主要限于絲、箔、片等較細較薄的工件焊接。

（2）當前超聲波焊接系統的接頭形式僅限于搭接，且受工具頭的限制，工件只能在焊接系統允許的尺寸范圍內伸入，焊接的接頭形式和尺寸范圍局限性較大。

（3）當前對于超聲波焊接的質量檢測較為困難，一般的檢測方法難以在生產過程中進行實時監控，無損檢測的方法尚未達到普及狀態。

2 薄質金屬超聲波焊接的研究現狀

當前超聲波金屬焊接由于受到大功率換能器等方面的限制，主要應用于較薄金屬的焊接中，對于超聲波金屬焊接的研究也主要從機理、組織工藝和模擬仿真等方面進行。

2.1 機理方面的研究

超聲波金屬焊接技術自問世以來，人們就開始對超聲波在金屬焊接中發生作用的機理進行研究，但是迄今都未得到統一認識。目前的理論主要包括[13]：新生鍵合界面、擴散化學鍵合連接；焊接區域局部熔化或由于摩擦、塑性變形等產生的熱量使界面連接；機械作用的內部自鎖連接等[14-19]。

Junhui Li等人[19]通過鋁銅的焊接試驗和分析認為，當焊接溫度較低時，短路擴散和快速位錯通道擴散均已發生，在幾十毫秒內原子擴散層厚度約為200 nm，在鋁銅界面處產生的金屬間化合物為AuAl2，超聲波金屬焊接過程中位錯通道的擴散機制比晶體擴散效應更為明顯。

D.Bakavos等人[20]通過對0.92 mm的6111-T4鋁合金薄板進行大功率超聲波點焊試驗，借助于X射線斷層攝影術、高分辨率掃描電鏡和電子背向散射衍射等手段發現，高質量焊接過程及高強度焊縫可以在極短時間（0.3 s）內形成。只有當焊接能量超過某一臨界值時才能形成高強度焊縫，此時焊核區溫度在380℃以上。通過采用不同銅含量的合金及對界面氧化物的研究，研究人員更真實地追蹤了焊接區界面位置的軌跡及其波浪形位移在不同時期三個階段的演變：早期為不規則的界面位移在5 μm波長以內運動，中期運動范圍20～50 μm，然后微接頭區域出現并旋轉到平面之外，發展成褶皺或者旋渦，最大移動范圍可達1 mm，他們的研究清晰地展示了超聲波金屬焊接鍵合連接的形成過程。

目前多數學者認為該焊接屬于固相焊接[20]，焊件材料并未熔化，而是在壓力和機械摩擦、塑性變形熱的作用下，純凈的金屬表面形成了金屬鍵。

例如，王宋使用熱電偶對薄銅片和鋁合金焊接溫度進行了測量，實驗表明，紫銅和鋁合金的焊區溫度范圍分別為550℃～590℃和275℃～305℃，均低于兩者的熔點溫度，焊件塑性隨溫度的升高而增加，產生塑性變形，使兩純凈的金屬表面相互接觸并產生了金屬聯系[11]。日本的學者Shin-ichi Matsuoka[22-23]等人采用熱電耦、紅外測溫儀等對超聲波鋁和陶瓷焊接區進行測試，焊接區域的溫度也都未達到低熔點材料的熔點。

A.Siddiq等人[24]認為超聲波焊接是一種表面摩擦和體積塑性軟化效果的結合，并在考慮了兩種軟化效果的情況下建立了一種現象學的材料模型來模擬超聲波金屬焊接過程。表面效應中，在分析了從摩擦學試驗中得到的壓力、滑動、溫度和循環次數等因素的變化所引起的摩擦系數的變化后，提出了相應的摩擦規律，在超聲波鋁合金焊接的熱機械分析中，超聲波焊接過程中的參數（加載壓力、振幅、焊接頭在摩擦界面處的速度）也在分析范圍內，并對模擬結果進行了驗證，一致性良好。結果表明，摩擦作用僅僅是次要作用，只有當表面氧化層在焊縫界面被打碎、分散時，摩擦才起作用，焊接過程中最高溫度遠低于材料熔點。

然而，也有部分學者認為超聲波金屬焊接在焊接區存在著熔化的液態焊接[25]。他們認為熱電偶只能測量到焊接區的平均溫度，存在的誤差較大，并不能排除超聲波金屬焊接過程中局部熔化接合的可能性。

E.I.Gundz等人[15]在513 K的溫度下對鋁和鋅薄板進行了焊接試驗和分析，發現界面處存在較強的相互擴散現象和Al-Zn固溶體的局部熔化現象。華南理工大學研究者采用薄銅片和銅管對超聲波金屬焊接的機理進行了研究，研究人員通過對SEM圖像的分析以及焊接區能量值的估算，認為超聲波焊接能夠使金屬表層達到熔點，或者至少可以達到金屬熔點的80%[26]，而不是部分學者所認為的只有30%～70%[27-28]，由此他們斷定超聲波金屬焊接并非無金屬液化的固相連接。

2.2 工藝、組織與性能方面的研究

目前，國內外學者在超聲波金屬焊接接頭的組織及其工藝性能方面都開展的研究較多。

上海交大李東等人對1 mm厚鋁/銅異種金屬超聲波焊接試驗研究后[29]，分析了焊接輸入能量對接頭形貌、接合區塑性變形、原子擴散的影響，試驗中不同焊接能量下所獲得的焊縫的顯微組織如圖2所示，研究發現隨著焊接能量的逐漸增大，焊縫處的塑性變形由很微弱逐漸增加至“旋渦狀”。當能量過小時，鋁銅界面的摩擦程度弱，塑性變形小而無法在局部區域形成連接；當能量過大時，焊縫處塑性變形過于強烈而產生了空穴缺陷。

T.H.Kim等人[30]利用0.2 mm的薄銅片和帶有3 μm鍍鎳層的0.2 mm銅片進行了異種金屬搭接試驗，并通過撕裂試驗對試樣進行了力學性能分析，依據試樣的失效模式和載荷-位移曲線將不同焊接參數（壓力、時間）下的焊接效果分為了5種質量等級（見表1），分別為：（Ⅰ）清晰的界面分離；（Ⅱ）部分黏連的界面分離；（Ⅲ）部分撕裂界面分離；（Ⅳ）局部周邊撕裂；（Ⅴ）整體環形斷裂。該研究為薄質金屬合金的超聲波焊接標準提供了一定的參考。

V.K.Patel等人[31]對超聲波焊接點焊的AZ31鎂合金進行了顯微組織、結晶本質和剪切強度的研究，采用MH2016 HP-USW系統在500～3 000 J的能量輸入范圍內對2 mm厚的AZ31B-H24鎂合金薄板進行點焊試驗。結果表明，晶粒尺寸隨著焊接輸入能量的增大而增大，試樣剪切強度先隨焊接輸入能量的增加而增大，并在界面裂紋處產生斷裂，當輸入能量過高時，剪切強度下降，且試樣在焊縫底部拉開斷裂。該研究對超聲波焊接點焊鎂合金的最優性能探究具有借鑒意義。

溫昌金等人[32]對0.9 mm厚的鋁合金和鍍鋅鋼板進行了超聲波點焊試驗，并對接頭顯微組織、參數對接頭性能的影響以及焊縫區溫度的變化過程進行了研究。發現在一定范圍內逐漸增加焊接時間時，接頭的抗拉強度呈現出先增大后減小的趨勢，原因在于過長的焊接時間會誘導顯微組織的演變。

圖2 不同焊接能量下焊接界面金相組織[29]

M.Shakil等人[33]探究了3003鋁合金和304不銹鋼異種合金超聲波點焊的參數優化問題，分別改變壓力、能量等級來探尋顯微組織、力學性能和焊接質量的變化。將焊接質量定義為“未焊透”“焊接良好”和“過焊接”三種水平：在焊接能量為75 J和100 J時，抗拉強度較小，焊縫屬于未焊透；在焊接能量為125 J和150 J時，焊縫抗拉強度最大，被定義為焊接良好；當焊接能量為175 J和200 J時，由于界面處材料的再結晶作用引起了材料的軟化和變薄，使得試樣抗拉強度降低，焊縫被定義為過焊接。研究者發現，焊縫達到合適數量的鍵合密度和變薄量時可以獲得高質量的焊縫。

Takehiko Watanabe等人[34]研究了低碳鋼薄板和Al-Mg合金薄板的超聲波焊接，采用0.8 mm厚的SS400低碳鋼和1.2 mm厚的A5052-H24鋁合金。在焊接時間固定為1 s時，壓力588 N下接頭強度最大，當壓力超過588 N時，過大的壓力降低了表面的摩擦作用而使得接頭強度降低；當壓力固定為588 N，改變焊接時間時，2.5 s焊接時間下可以獲得最大接頭強度，而當焊接時間達到3 s時，接頭由于界面處金屬間化合物Fe2Al5的形成而強度降低。還嘗試了在焊接表面嵌入商業純鋁的方法，結果表明在焊接時間達到3 s時，接頭強度可以達到未嵌入時的3倍左右。

V.K.Patel等人[35]在2 mm厚的鎂合金板上進行了超聲波點焊試驗，并研究超聲波點焊對鎂合金顯微組織的影響。結果表明，焊接能量、應變率和峰值溫度對控制晶粒尺寸起到關鍵作用，顯微硬度隨著輸入能量的增加而降低，原因在于晶粒尺寸的增長。

謝俊峰等人對0.5 mm厚的和鋁合金進行了超聲波焊接試驗[36]，通過掃描電鏡背散射等方法對比不同工藝參數組合焊接試樣的界面組織結構。發現振幅對超聲波焊接線性密度的影響最大，振幅為15 μm時，所形成的線性焊接密度僅為30%；而當振幅達到30μm時，線性焊接密度可接近100%。

在超聲波金屬焊接的工藝、組織與性能方面，研究較多的參數變量為焊接輸入能量、焊接時間、焊接壓力及振幅等，除此之外，焊前表面處理對于焊接質量也有較大影響。多數的研究結果均表明，在一定的焊接能量輸入范圍內，焊接接頭的性能先隨能量輸入的增加而變好，當輸入能量超過某一臨界值時，接頭性能開始下降，接頭總體呈現由未焊透→焊接良好→過焊接的過程。

2.3 模擬仿真方面的研究

模擬仿真的應用對于超聲波金屬焊接機理研究具有重要意義，一方面可以通過焊接試驗結果驗證數學模型理論計算的正確性，另一方面，模擬仿真的工作又對超聲波金屬焊接的研究具有指導意義。

表1 T.H.Kim等對超聲波點焊縫等級的劃分[30]

王伊卿等人從能量的角度建立了超聲波焊接二維瞬態傳熱模型[37]，用ABAQUS軟件計算超聲波焊接鋁箔金屬表面不同點處的溫度歷程，并用紅外熱像儀測量焊接過程中鋁箔表面溫度，繪制了溫度歷程曲線，其最高溫度計算值與試驗值對比，誤差在5%以內。在不同焊接工藝參數組合下對超聲波焊接界面的最高溫度進行了計算，結果表明，焊接界面處的最高溫度不超過金屬熔點的50%。S.Elangovan[38]等人通過有ANSYS有限元分析軟件為超聲波金屬焊接過程中溫度場和應力場的分布建立了模型，以1 mm內不同厚度的鋁銅異種材料為研究對象，考慮了壓力、摩擦系數、焊接時間等多種因素，模擬結果表明，在1 600 N加緊壓力和0.5 s焊接時間下，工件鋁截面處溫度最高值為336.8℃。南昌大學張義福等人[39]采用ABAQUS有限元軟件對鋁合金進行了超聲波焊接的熱-機耦合數值模擬分析[25]，在壓力175 MPa、振幅8.4 μm和加載時間為60 ms的情況下，界面處的溫度最高，可達到357.5℃，通過模式分析研究表明：與焊極相接觸的鋁合金界面處所產生的溫度最高，塑性變形劇烈，但最大溫升值低于熔點溫度。與大多數研究人員模擬仿真的結果類似，上述研究者都從溫度場的模型理論上闡述了超聲波金屬焊接的固相連接機制。

Yadav等人[40]通過數值模擬計算出金屬薄片在超聲波金屬焊接過程中溫度場分布情況，作者通過對結果的進一步分析認為，在超聲波焊接中金屬材料隨著溫度的升高和劇烈的塑性變形，焊接界面處的金屬原子會在空穴內進行擴散，導致了材料之間的粘連。

除對超聲波金屬焊接過程中溫度場的模擬外，哈爾濱工業大學周廣濤等[41]還在數值模擬的基礎上利用Marc軟件建立了鋁合金薄板焊的超聲波激振熱力耦合模型，對最佳焊接參數和加載沖擊與熱源的最佳距離進行了探究，并用自行研制的裝置進行了試驗驗證。結果表明，當激振距離為22 mm時，可以使板長方向截面殘余拉應力峰值從248 MPa降低到63 MPa，應力峰值從-77 MPa降為-27 MPa，低于薄板的臨界失穩應力，薄板的撓曲變形消失，板邊的最大撓度從8.66 mm降至0.9 mm。試驗結果與模擬結果相符。

Elangovan等人[42]通過數值模擬的方法研究了金屬材料的超聲波焊接在不同工藝參數下溫度和應力的分布情況，研究結果表明，焊接靜壓力是導致材料變形的重要因素，金屬材料的溫度會隨著焊接靜壓力的增加而下降。

通過有限元分析的手段可以建立合適的模型，為進一步研究超聲波金屬焊接的機理提供幫助。

3 總結和展望

超聲波金屬焊接因其獨特的優點，已廣泛應用于動力鋰電池、手機制造業、電氣儀表及宇航工業等領域，且越來越顯示出其發展潛力。然而，當前的一些局限性仍是眾多學者的研究熱點，如超聲波金屬焊接的機理尚未完全研究透徹，對于焊接過程中的結合方式仍未得到統一結論；目前雖在絲、箔、片等薄質工件的焊接中獲得了較好的效果，卻仍難以滿足日益飛速發展的尖端制造業，在較大較厚構件的焊接方面的需求；在超聲波焊接的檢測方面仍未發展完善，超聲焊接的無損檢測尚未普及，一般的檢測方法又難以進行實時的焊接質量檢測，不利于該種方法在實際生產中的普及推廣。

綜上所述，超聲波金屬焊接未來的研究應加強以下方面的研究：

（1）加強焊接試驗與仿真模擬的結合性研究，以深入探究超聲波金屬焊接的機理，在實際試驗過程盡量使測溫儀器接近焊接區，降低測量誤差，同時輔以模擬軟件的計算驗證，得到盡可能準確的結果。

（2）加強大功率超聲換能器、聲學系統方面的研究，以使該獨特的焊接方式推廣到大構件的焊接中。

（3）加強超聲波焊金屬接實時檢測方法的研究，以保證焊接質量可實時監測，提高產品的合格率。

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Research status and prospect of ultrasonic welding of thin metals

LIU Xiaoguang1，JIANG Xiaoming1，ZHANG Li1，HUANG Dan1，WANG Zhenmin2
（1.Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology，Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing，Guangzhou 510070，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Thepapersummarizedtheworkingprinciple，specialadvantagesanddisadvantagesofultrasonicmetalwelding，andintroducedthe current domestic and foreign researches on welding mechanism,processes and organizations，performance，and reference value to the establishment of ultrasonic welding standards in thin aluminum，copper and nickel metal ultrasonic welding.In addition，the researches on the simulation of ultrasonic welding temperature field and its guiding significance for the research of ultrasonic welding mechanism were introduced.According to the limitation of the development of ultrasonic metal welding technology at present，the research direction that needs to be strengthened and broken in the future is summarized and prospected.

ultrasonic；metal welding；research status；prospect

TG453+.9

C

1001－2303（2017）08－0053-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.10

2017-05-20；

2017-06-06

廣東省科技計劃項目（2012B091100262）；國家自然科學基金項目（E51375173）；廣州市越秀區科技計劃項目（2012-GX-013）；廣東省科技計劃項目（2015A040404036）；廣東省科技計劃項目（2014B040404063）。

劉曉光（1980—），男，助理研究員，碩士，主要從事電力電子及數字化焊接技術方面的研究工作。E-mail：ediu_liu@163.com。

本文參考文獻引用格式：劉曉光，蔣曉明，張理，等.薄質金屬超聲波焊接的研究現狀與展望[J].電焊機，2017，47（08）：53-59.