大型薄壁多層編織銅超聲焊接接頭組織與性能

賀曉斌，郎宗靈，劉子揚(yáng)，江 琛，劉雙寶，羅小依，雷 霆

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

隨著我國(guó)空間站工程即將進(jìn)入服役，大面積柔性太陽(yáng)翼是其進(jìn)行能源供應(yīng)的生命線，其匯流條焊點(diǎn)能否長(zhǎng)壽命，高可靠焊接是整翼裝焊的關(guān)鍵工藝技術(shù)，進(jìn)而決定了大型航天器的供電來(lái)源。

傳統(tǒng)的手工釬焊方法長(zhǎng)時(shí)間服役，容易因焊料蠕變、晶粒粗化等缺陷導(dǎo)致焊點(diǎn)的最終失效［1］。由于錫鉛焊料金屬間化合物的生長(zhǎng)，最終焊點(diǎn)力學(xué)等性能將發(fā)生缺陷［2-3］，無(wú)法滿足新時(shí)代航天器長(zhǎng)壽命、高可靠的質(zhì)量要求。

空間站大面積柔性太陽(yáng)翼為國(guó)內(nèi)首次使用，完全伸展長(zhǎng)度達(dá)20 m 以上，屬大型薄壁結(jié)構(gòu)，焊點(diǎn)部位銅焊盤厚度為70 μm，匯流條形式為多達(dá)200 股的鍍銀編織銅，屬大型薄壁結(jié)構(gòu)的焊接形式，需要在軌服役15 a 以上，承受（?100～100）℃背日與對(duì)日循環(huán)8 萬(wàn)余次。

超聲波焊接是一種高效低能耗的焊接方法［4-5］，其原理是焊頭以超聲頻率的往復(fù)振動(dòng)，使材料之間發(fā)生熱塑性變形［6］，進(jìn)而在焊接界面形成機(jī)械鎖合與冶金連接［7-8］。在超聲波焊接異質(zhì)材料時(shí)，產(chǎn)生的金屬間化合物遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)釬焊方法［9-10］。

本文針對(duì)大型薄壁超薄銅層與多股鍍銀編織銅，采用超聲波焊接的方式進(jìn)行焊接，通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)分析其對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響、典型焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)超聲波焊點(diǎn)接頭采用有限元的方法［11-12］進(jìn)行焊接過(guò)程仿真，對(duì)過(guò)程中的熱量分布進(jìn)行模擬，對(duì)過(guò)程機(jī)理進(jìn)行分析。研究結(jié)果將為深刻理解超聲波焊接過(guò)程提供支持，并為該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的材料為70 μm 厚度的高純紫銅，200余股鍍銀編織銅編制的匯流條，單股匯流條材料為紫銅表面鍍銀，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Experimental material

試驗(yàn)所用的焊接設(shè)備為必能信公司的超聲波焊接設(shè)備，具有能量模式與時(shí)間模式，超聲振動(dòng)頻率為40 kHz，最大功率800 W，本文采用的能量為90～180 J，壓力為0.242～0.276 MPa。通過(guò)Z軸的氣動(dòng)方式對(duì)箔片形成固定，并通過(guò)超聲變幅桿將超聲能量傳輸于試樣上，最后將超聲能量作用于焊縫，實(shí)現(xiàn)材料的互聯(lián)。超聲波焊接設(shè)備和工作原理如圖2 所示。

采用微型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用HITACHII S-3400N 型掃描電子顯微鏡對(duì)接頭進(jìn)行組織分析和能譜分析，采用Abaqus 進(jìn)行有限元仿真分析。

圖2 超聲波焊接過(guò)程Fig.2 Schematic diagram of the ultrasonic welding process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊點(diǎn)顯微組織分析

焊接能量120 J、0.276 MPa 的接頭橫截面宏觀形貌如圖3 所示，焊點(diǎn)連接面處形貌如圖4 所示。從圖3 和圖4 中可以看出，從整體形貌圖中發(fā)現(xiàn)焊接接頭由Ag 層、Cu 基體構(gòu)成，焊接接頭中Ag 層均勻呈網(wǎng)狀分布，說(shuō)明在超聲波焊接中Ag 層發(fā)生了流動(dòng)，通過(guò)鍍銀編織銅Ag-Ag 的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了接頭強(qiáng)度，銅絲發(fā)生了變形，說(shuō)明超聲波焊接實(shí)現(xiàn)了能量傳遞。

圖3 接頭橫截面宏觀形貌Fig.3 Macroscopical morphology of the joint cross section

圖4 焊點(diǎn)連接面處形貌Fig.4 Morphology of the solder joint surface

整個(gè)焊點(diǎn)并未發(fā)現(xiàn)明顯空洞及裂紋缺陷，進(jìn)行線掃描能譜分析如圖5 所示，紅色顯示為鍍銀編織銅Ag 層，綠色為Cu 元素，通過(guò)能譜分析圖中發(fā)現(xiàn)界面處成分為Cu 與Ag 進(jìn)行相互擴(kuò)散。擴(kuò)散焊接理論中，在超聲波焊接過(guò)程中，Cu 與Ag 同族元素在超聲波能量的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)生晶粒級(jí)別相互擴(kuò)散，最終呈現(xiàn)連接行為。

圖5 焊接接頭EDS 線掃描Fig.5 EDS line scan of the welded joint

在超聲波焊接過(guò)程中，焊接斷面發(fā)生塑性變形的區(qū)域明顯增大，在高溫和塑性變形的共同作用下，局部發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了大量新的晶粒，從而使對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生有效的連接。

2.2 接頭力學(xué)性能分析

采用微型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，不同參數(shù)下拉脫力數(shù)值如圖6 所示。

圖6 焊接接頭拉伸Fig.6 Stretch diagram of the welded joint

拉伸測(cè)試過(guò)程中，兩板在局部有效連接區(qū)域發(fā)生相互“拉扯”導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，形成了“撕裂棱”，其焊接斷面出現(xiàn)了大量的韌窩，焊接接頭達(dá)到可靠連接。

拉脫力都滿足指標(biāo)要求（如圖7 所示），說(shuō)明焊接接頭良好。可看出各接頭拉伸強(qiáng)度在61～90 N之間，從力學(xué)強(qiáng)度分析鍍銀編織銅-銅箔采用超聲焊接工藝穩(wěn)定，焊接后拉斷強(qiáng)度與超聲波參數(shù)關(guān)聯(lián)性較小。從圖中發(fā)現(xiàn)，有些拉力值較小，這是因?yàn)楹附訒r(shí)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致焊接面積減少，所以采用超聲焊接的參數(shù)可調(diào)范圍較大。

圖7 焊接接頭拉脫力性能測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of the tensile property of the welded joint

3 有限元仿真

3.1 超聲波焊接接頭模型設(shè)計(jì)

利用Abaqus 有限元軟件，建立考慮金屬塑性流動(dòng)和強(qiáng)化、完全熱力耦合的差厚銅板超聲波焊接模型。模型采用中心插分的顯示算法，可以解決焊接過(guò)程中由于多界面接觸造成的計(jì)算收斂問(wèn)題。

3.1.1 有限元模型建立

超聲波焊接中金屬板界面高速摩擦，產(chǎn)生大量的熱量。模擬超聲波焊接過(guò)程如圖8 所示，可以合理地將其分為4 個(gè)階段：第1 個(gè)階段是施加預(yù)壓力夾緊的階段。此階段焊頭下降，施加一定力于銅板上表面，并保持一段時(shí)間。這個(gè)階段包括焊頭和銅板的接觸和接觸壓力從零到最大的過(guò)程。第2 個(gè)階段是最重要的焊接過(guò)程，期間焊頭以超聲波頻率（20 kHz）振動(dòng)，并帶動(dòng)銅板一起振動(dòng)，在銅板之間的界面產(chǎn)生摩擦生熱和材料的塑性流動(dòng)，并最終形成焊接接頭。這個(gè)過(guò)程在有限元計(jì)算中采用完全熱力耦合的方法，邊界條件設(shè)置盡可能與試驗(yàn)條件一致。第3 個(gè)階段是保壓階段，期間焊頭不再振動(dòng)但保持施加的壓力不變。第4 個(gè)階段為卸載階段，期間焊頭上移，與銅板脫離。

圖8 超聲波焊接過(guò)程Fig.8 Ultrasonic welding process

采用庫(kù)倫摩擦（Coulomb friction）模型表征金屬接觸面之間的相互摩擦作用，Abaqus 模型和網(wǎng)格如圖9 所示。

圖9 焊接結(jié)構(gòu)總體網(wǎng)格Fig.9 General grids of the welding structure

3.1.2 熱力耦合算法與邊界條件

建立考慮材料塑性流動(dòng)和強(qiáng)化的有限元模型。超聲波焊接中金屬有較高溫度和高應(yīng)變率，其彈塑性本構(gòu)模型中必須將應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度聯(lián)系起來(lái)。因此，建立Johnson-Cook 強(qiáng)化模型以反映材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度軟化，如下式：

式中：A、B、n、C、m為材料參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)確定；σ0為von Mises 流動(dòng)應(yīng)力（flow stress）為等效塑性應(yīng)變；為應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率；當(dāng)時(shí)，A即為材料的靜態(tài)屈服應(yīng)力為無(wú)量綱化的溫度，

式中：θr為室溫；θm為材料的熔點(diǎn)。

Johnson-Cook 本構(gòu)模型中塑性流動(dòng)沿著屈服面的法線方向，并采用Mises 屈服面。材料高應(yīng)變率的變形過(guò)程中塑性功轉(zhuǎn)化為熱流qd：

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 溫度場(chǎng)分析

超聲波焊接過(guò)程中，焊頭帶動(dòng)上層金屬板運(yùn)動(dòng)，在金屬板界面之間形成摩擦，并產(chǎn)生大量的熱量。同時(shí)，焊接過(guò)程也是金屬材料在大應(yīng)變率下的變形過(guò)程，期間由于塑性變形也會(huì)有熱量的生成。熱量生成導(dǎo)致材料溫度升高，并進(jìn)一步影響材料的力學(xué)行為和焊接過(guò)程，所以需要對(duì)超聲波焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

焊接完成后的溫度場(chǎng)分布如圖10 所示，其最高溫度為72.2 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅的熔點(diǎn)溫度，所以超聲波焊接屬于固相連接。其中，圖10（a）為結(jié)構(gòu)整體的溫度場(chǎng)分布，可以看出溫度較高的區(qū)域集中在焊接區(qū)域，遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的焊頭、焊座和銅板溫度較低，且上下兩層銅板非焊接區(qū)域的溫度基本對(duì)稱。圖10（b）和圖10（c）分別為上層和下層銅板的溫度分布，可以看出兩層銅板在焊接區(qū)域溫度分布并不均勻，高溫區(qū)域偏向于超聲波振動(dòng)開(kāi)始的方向，且在部分位置較為集中。這是因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)屬于搭接的形式，其幾何形式和邊界條件關(guān)于中心區(qū)域并不對(duì)稱，有一定的偏離。超聲波振動(dòng)開(kāi)始后，這種偏離會(huì)由于焊頭振動(dòng)的不對(duì)稱性而加劇，并最終導(dǎo)致部分位置的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等變量的集中現(xiàn)象。

圖10 超聲波焊接溫度場(chǎng)分布Fig.10 Temperature field distributions of the ultrasonic welding

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

超聲波焊接所使用的焊頭并不是平整的表面，其與金屬板接觸的部分是縱橫交錯(cuò)的梯形狀的凸起陣列。在施加壓力后，金屬板表面不同部位受力并不均勻，焊齒下區(qū)域受力較大。

焊接完成后上、下銅板的應(yīng)力云圖如圖11 所示。可以看出，上層銅板與焊頭的焊齒接觸的部位所受壓力較大，在振動(dòng)的過(guò)程中由于摩擦產(chǎn)生的剪應(yīng)力也較大，并產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變和流動(dòng)，即為超聲波焊接接頭形成的主要原因。下層銅板由于遠(yuǎn)離焊齒，其表面應(yīng)力分布相對(duì)均勻，且應(yīng)力和變形相對(duì)較小。

圖11 超聲波焊接應(yīng)力分布Fig.11 Stress distributions of the ultrasonic welding

3.2.3 接觸面分析

超聲波焊接的接頭在金屬板之間的接觸界面形成，接觸面積的大小和接觸壓強(qiáng)分布直接關(guān)系到最終形成的接頭強(qiáng)度。有限元計(jì)算得到的銅板接觸面的接觸壓強(qiáng)分布如圖12 所示（因?yàn)榻佑|力為相互作用力，大小相等方向相反，所以僅取一個(gè)表面進(jìn)行分析）。可以看出，超聲波焊接完成后，金屬板的重合區(qū)域并沒(méi)有形成全部的接觸，而只是形成了較為分散的接觸區(qū)域，集中在焊齒下部位。形成接觸的區(qū)域壓強(qiáng)分布偏差較大，最大壓強(qiáng)達(dá)到了331 MPa，表明形成了良好的接觸，而有些區(qū)域接觸壓強(qiáng)較小，表明并沒(méi)有形成良好的接觸。

圖12 銅板接觸表面接觸壓強(qiáng)分布Fig.12 Contact pressure distribution on the contact surface of the copper plate

為進(jìn)一步分析接觸面情況，對(duì)結(jié)構(gòu)沿垂直于超聲波振動(dòng)方向進(jìn)行剖開(kāi)，剖開(kāi)后的斷面如圖13 所示。在圖13 中綠色的方形框內(nèi)金屬板之間接觸良好，形成了良好的焊接接頭；而藍(lán)色的橢圓形區(qū)域內(nèi)金屬板之間則有較大的間隙，并沒(méi)有形成接觸，而是產(chǎn)生了大量的空穴；其余區(qū)域金屬板之間雖然形成了接觸，但由于接觸力較小，并不足以形成良好的接頭。焊頭高低不平的幾何形狀導(dǎo)致金屬板接觸界面形成復(fù)雜的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，在高頻的超聲波振動(dòng)作用下，接觸界面金屬的塑性流動(dòng)呈現(xiàn)出不規(guī)律性。

圖13 垂直振動(dòng)方向截面變形圖Fig.13 Section deformation diagram in the direction of vertical vibration

3.2.4 有限元結(jié)果結(jié)論

銅板超聲波焊接過(guò)程中最高溫度為72 ℃，遠(yuǎn)低于銅的熔點(diǎn)，所以超聲波焊接為固相連接；由于焊頭特殊的幾何形貌，焊齒下的銅板接觸面產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中；銅板之間接觸面的接觸壓強(qiáng)和接觸面積會(huì)直接影響接頭強(qiáng)度，接觸面在壓力和剪應(yīng)力作用下發(fā)生復(fù)雜的塑性流動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）采用超聲波焊接實(shí)現(xiàn)了薄壁銅層與鍍銀編織銅的焊接，焊點(diǎn)連接面處組織致密，無(wú)明顯缺陷。

2）試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果得出焊點(diǎn)連接處由Ag和Cu 元素組成，焊接溫度遠(yuǎn)未達(dá)到母材熔點(diǎn)，為低溫連接行為，其連接機(jī)理為塑性變形實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接能量120 J、0.276 MPa參數(shù)下，母材拉脫力可達(dá)到90 N。