摘 要：輕合金材料憑借卓越的機(jī)械性能，在汽車制造、航空航天等眾多關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲波金屬焊接作為一項(xiàng)可靠的固相連接技術(shù)，在輕合金薄板材料的高強(qiáng)度連接方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與廣闊的發(fā)展前景。本文系統(tǒng)地介紹了超聲波技術(shù)焊接工藝參數(shù)，并總結(jié)了近些年超聲波焊接在鋁合金、鎂合金和鈦合金薄板領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于有限元模型構(gòu)建、力學(xué)性能分析、微觀結(jié)構(gòu)特征及疲勞性能測(cè)試等方面的最新研究進(jìn)展，展望未來(lái)該技術(shù)需加強(qiáng)和突破的探索方向。

關(guān)鍵詞：超聲波焊接；輕合金；工藝參數(shù)；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG456.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-0318（2024）06-0081-07

隨著對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化需求的不斷增長(zhǎng)，鋁合金、鎂合金及鈦合金等輕合金薄板材料在汽車、航空、航天等制造行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛[1]-[2]。然而，傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)在連接輕合金時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，迫切需要研發(fā)新的連接技術(shù)以解決輕合金薄板材料的連接問(wèn)題[3]-[5]。激光焊接精度高、速度快，但仍有成本高等缺點(diǎn)；攪拌摩擦焊接的焊縫優(yōu)質(zhì)、變形微小但對(duì)工件夾持要求高；釬焊適用于異種材料焊接，但接頭強(qiáng)度低。而近年來(lái)興起的超聲波焊接是一種新型固相焊接技術(shù)，適用于輕合金薄板材料的高強(qiáng)度連接[6]-[8]。該技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：其應(yīng)用范圍廣，可適用于多種組合材料的焊接，可進(jìn)行快速點(diǎn)焊、連續(xù)焊，在同種及異種金屬的焊接領(lǐng)域有其他方法難以匹敵的優(yōu)勢(shì)；超聲波焊接能夠自動(dòng)清除工件表面的氧化膜，從而降低了對(duì)工件表面清潔度的嚴(yán)格要求，即便存在少量的氧化膜或油污，也不會(huì)顯著影響焊接效果；焊接過(guò)程中無(wú)需焊接劑和外加熱源的參與，亦無(wú)焊渣和廢氣產(chǎn)生，其操作環(huán)境節(jié)能、環(huán)保、無(wú)廢氣、無(wú)粉塵、低噪音、低能耗等[9]-[13]。

超聲波金屬焊接原理是利用超聲波發(fā)生器、換能器、增幅器，把電能轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過(guò)焊頭振動(dòng)傳遞能量促使金屬焊件之間摩擦、形變及有限的升溫，接觸面不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的一種固態(tài)焊接[14]-[17]。當(dāng)前，超聲波金屬焊接技術(shù)涵蓋了超聲波金屬點(diǎn)焊、銅鋁線束焊接、金屬封邊及金屬滾焊四大類別，并在電器電機(jī)制造、制冷設(shè)備、五金產(chǎn)品、太陽(yáng)能領(lǐng)域及交通設(shè)施等多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[18]-[20]。

本文總結(jié)了鋁合金、鎂合金、鈦合金同種和異種薄板材料搭接超聲波焊接研究最新研究成果，概述了超聲波金屬焊接的工藝參數(shù)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨向進(jìn)行展望。

一、超聲波金屬焊接工藝參數(shù)

超聲波焊接接頭的力學(xué)性能、宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)變化主要取決于所采用的工藝參數(shù)，包括超聲波頻率、振幅、夾緊力、功率和能量。評(píng)估焊接質(zhì)量的高低，則聚焦于抗拉強(qiáng)度、微觀特征以及疲勞性能的考量。

（一）頻率

超聲波焊接機(jī)具備特定的中心頻率，常見的有20 kHz和40 kHz等，這些頻率主要由超聲波換能器、變幅桿及焊頭的機(jī)械共振特性所決定。超聲波發(fā)生器需調(diào)整其輸出頻率，以確保與機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率相匹配，從而使焊頭處于最佳諧振狀態(tài)。每個(gè)組件均被設(shè)計(jì)為半波長(zhǎng)諧振體。通常，超聲波發(fā)生器及其機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率都設(shè)定在一個(gè)±0.5 kHz的諧振工作范圍內(nèi)，以保證焊接機(jī)在該范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。在制造每個(gè)焊頭時(shí)，我們會(huì)精確調(diào)整其諧振頻率，確保與設(shè)計(jì)頻率的誤差小于0.1 kHz。

（二）振幅

振幅是接頭質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，它將機(jī)械能有效傳遞至焊接界面，通常在10至100 μm的范圍內(nèi)波動(dòng)。在部分焊接設(shè)備中，振幅表現(xiàn)為因變量，與焊接時(shí)長(zhǎng)或焊接機(jī)接收的能量密切相關(guān)；而在其它設(shè)備中，振幅則作為獨(dú)立變量存在。得益于反饋控制系統(tǒng)的加入，振幅可通過(guò)調(diào)節(jié)供電來(lái)設(shè)定并調(diào)整阻抗，以滿足焊接需求。焊接振動(dòng)振幅的選擇取決于材料確定的焊接條件。

（三）夾緊力

夾緊力是在超聲波焊接過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它的選擇取決于所焊接的材料。最佳的夾緊力可通過(guò)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該參數(shù)以下，接頭將弱到不存在；在該參數(shù)之上，會(huì)發(fā)生焊接區(qū)變薄和超聲焊極粘著的現(xiàn)象。

（四）功率和能量

超聲波焊接機(jī)可設(shè)為在時(shí)間或能量控制模式下運(yùn)行，因此能量和時(shí)間可以互換。圖1顯示了焊接功率、能量和時(shí)間之間的關(guān)系。焊接能量可以通過(guò)功率曲線下的面積來(lái)量化，這三個(gè)參數(shù)并非孤立存在，而是相互影響的。當(dāng)功率設(shè)定后，隨著焊接過(guò)程的推進(jìn)，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)的功率水平，與此同時(shí)，焊接能量和時(shí)間也將達(dá)到相應(yīng)的特定值。若預(yù)先設(shè)定了焊接時(shí)間，焊接過(guò)程則會(huì)持續(xù)進(jìn)行，直至累積達(dá)到預(yù)定水平的焊接能量。實(shí)際上，通電時(shí)間曲線可以多樣化呈現(xiàn)，這取決于材料的種類、尺寸、表面狀態(tài)、振幅與夾緊力的大小以及固定焊接機(jī)的特性[18]。

二、鋁、鎂、鈦合金超聲波焊接研究進(jìn)展

（一）鋁合金超聲波焊接研究進(jìn)展

李玉龍等[21]建立了三維超聲波焊接熱結(jié)構(gòu)耦合Ansys有限元模型，模擬了6061鋁合金超聲波金屬焊接過(guò)程。結(jié)果表明，焊接過(guò)程中焊接區(qū)域最高溫度模擬值與試驗(yàn)值誤差在5%以內(nèi)，溫度最高處位于焊接區(qū)域中心位置，高溫區(qū)隨焊接時(shí)間的增大而增大；超聲波金屬焊接過(guò)程中，溫度場(chǎng)主要受焊接壓力及焊接時(shí)間的影響。MACWWAN等[22]研究了6111-T4鋁合金和鍍鋅高強(qiáng)度低合金鋼的超聲焊接。研究表明，焊接中由于快速升溫和高應(yīng)變速率，Zn和Al的快速相互擴(kuò)散導(dǎo)致形成Al-Zn共析/共晶界面層。在較高的焊接能量條件下，該擴(kuò)散層的一部分被擠出熔核邊緣，產(chǎn)生額外的釬焊效果。在2000 J下焊接的樣品比在1000 J焊接能量下焊接的樣品具有更長(zhǎng)的疲勞壽命，如圖2所示。HADDADI等[23]研究了大功率超聲焊接過(guò)程中6111-T4鋁板的晶粒結(jié)構(gòu)、織構(gòu)和力學(xué)性能演變。研究表明，在溫度升高至440 °C的焊區(qū)內(nèi)引起大量變形。在0.1秒內(nèi)，于平坦焊接界面中，可以觀察到超細(xì)晶粒的形成。隨焊接時(shí)間的增加，焊接界面會(huì)發(fā)生位移，伴隨“褶皺”或“波峰”現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)還會(huì)形成剪切帶。當(dāng)完全穿透工件時(shí)，焊接界面逐漸從平坦變?yōu)檎也?，最終變?yōu)楸P旋的波形，在0.4 s后其波長(zhǎng)約為1 mm。NI等[24]研究了2219鋁顆粒夾層對(duì)鋁鎳異種超聲波焊接性能的影響。研究表明，夾層有利于提高焊接界面的溫度，提高可焊性，從而成功地獲得了良好的鋁鎳連接。同時(shí)，在焊接界面中產(chǎn)生了界面擴(kuò)散層，并在斷裂表面觀察到大量的焊接區(qū)。夾層可提高最大拉伸剪切載荷，同時(shí)縮短焊接時(shí)間。

SHIN等[25]研究了A5052-H32合金板超聲點(diǎn)焊的參數(shù)。研究表明，剪切和拉出的混合斷裂模式表現(xiàn)出較高的搭接剪切破壞載荷，而單獨(dú)剪切和拉出是較低的搭接剪切破壞載荷下的明顯斷裂模式，需要較短的焊接時(shí)間來(lái)提高振動(dòng)幅度，以產(chǎn)生足夠的溫度并防止過(guò)度焊接。PENG等[26]研究了6022-T43鋁合金超聲點(diǎn)焊的組織和力學(xué)性能：焊接能量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)生動(dòng)態(tài)結(jié)晶，沿焊接線觀察到超細(xì)項(xiàng)鏈狀等軸晶粒結(jié)構(gòu)，在較低的焊接能量水平下晶粒尺寸較小。接頭的拉伸搭接剪切強(qiáng)度，破壞能量和臨界應(yīng)力強(qiáng)度首先增加，達(dá)到最大值，然后，隨著焊接能量的增加而減小。MIRZA等[27]研究了5754鋁合金超聲點(diǎn)焊接頭的組織和疲勞性能。研究表明，在較低能量輸入下，拉伸斷裂發(fā)生在鋁/鋁界面，而在較高能量輸入下發(fā)生在熔核區(qū)的邊緣。疲勞斷裂模式從橫向貫穿厚度裂紋擴(kuò)展到界面破壞過(guò)渡的最大循環(huán)應(yīng)力隨著能量輸入的增加而增加。STAAB等[28]提出了一種方法用于評(píng)估鋁和纖維增強(qiáng)熱塑性塑料超聲焊接單搭接頭在搭接區(qū)的剪切強(qiáng)度分布。研究表明，強(qiáng)度在連接區(qū)上分布不均勻，并且由粘合和內(nèi)聚部分組成。為進(jìn)行評(píng)估，開發(fā)了兩種程序?qū)⑦B接區(qū)細(xì)分為多個(gè)部分并分別進(jìn)行研究。隨后用數(shù)學(xué)運(yùn)算確定接合區(qū)域中的局部強(qiáng)度分布，可識(shí)別和分配不同的綁定機(jī)制。

（二）鎂合金超聲波焊接研究進(jìn)展

PATEL等[29]研究了超聲AZ31B-H24鎂合金點(diǎn)焊接頭疲勞壽命估算。研究表明，超聲焊接與其他焊接工藝相比，具有更長(zhǎng)的疲勞壽命。疲勞破壞模式根據(jù)焊接能量的不同，從界面破壞變?yōu)檠睾穸确较虻臋M向裂紋擴(kuò)展，循環(huán)載荷水平降低。采用紐曼和道林開發(fā)的點(diǎn)焊搭接接頭的壽命預(yù)測(cè)模型來(lái)估算超聲波鎂合金接頭的疲勞壽命。MACWAN等[30]采用超聲波點(diǎn)焊在不同的焊接能量水平下連接含稀土的ZEK100 Mg合金。研究表明，在熔核區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著界面溫度和應(yīng)變速率的增加，晶粒尺寸增加，顯微硬度降低，焊接能量增加。晶粒尺寸與Zener-Hollomon參數(shù)之間的關(guān)系建立了顯微硬度與晶粒尺寸之間的Petch類型關(guān)系。

同時(shí)，MACWAN等[31]研究了超聲點(diǎn)焊ZEK100-A15754異種接頭連接的可行性，并評(píng)估界面微觀結(jié)構(gòu)，拉伸搭接剪切強(qiáng)度和疲勞壽命。研究表明，接頭拉剪強(qiáng)度先增加，達(dá)到峰值，然后隨焊接能量的增加而降低，如圖3所示。接頭的最佳平均強(qiáng)度接近ZEK100-ZEK100同種接頭的78%，A15754-A15754同種接頭的55%。S-N曲線的雙線性行為與破壞特征的變化非常吻合。在較高循環(huán)載荷下，界面破壞占主導(dǎo)，而在較低的循環(huán)載荷水平下，在熔核邊緣形成了貫穿厚度裂紋。HIGASHI等[32]評(píng)估了具有長(zhǎng)周期堆積有序（LPSO）結(jié)構(gòu)相的Mg-Zn-Y合金的顯微組織形成機(jī)理和可焊性，并首次將超聲點(diǎn)焊技術(shù)應(yīng)用于焊接。研究表明接頭的微觀結(jié)構(gòu)演變?nèi)Q于焊嘴在平坦和傾斜區(qū)的宏觀形狀。在焊接界面周圍產(chǎn)生了帶有細(xì)晶粒的帶。在斜坡區(qū)，產(chǎn)生了新的波浪帶，并揭示了在整個(gè)帶中都發(fā)生了塑性流動(dòng)。在平坦區(qū)的帶外，Zn和Y在Mg基體的晶界偏析。此外，在產(chǎn)生新的帶的焊接條件下獲得最大焊接強(qiáng)度，并且發(fā)現(xiàn)在傾斜區(qū)中塑性流動(dòng)的增強(qiáng)有助于焊接強(qiáng)度的增加。

（三）鈦合金超聲波焊接研究進(jìn)展

趙德望等[33]研究了焊接參數(shù)對(duì)超聲波鎂鈦異質(zhì)焊接接頭力學(xué)性能及耐疲勞性能的影響。研究表明，焊接壓力是最顯著影響因素，其次是焊接時(shí)間和焊接振幅。另外，焊接時(shí)間與焊接振幅之間的交互作用對(duì)性能也有顯著的影響。接頭在不同的循環(huán)次數(shù)下失效模式不同。當(dāng)接頭達(dá)到高強(qiáng)度連接時(shí)，過(guò)高的焊接參數(shù)會(huì)導(dǎo)致厚度降低，從而降低焊件的耐疲勞性能，其中焊接壓力影響最為顯著。趙玉津等[34]通過(guò)設(shè)計(jì)交互正交試驗(yàn)，以接頭的拉伸載荷和信噪比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鋁/鈦異種金屬超聲波焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，焊接能量>振幅>壓力，對(duì)拉伸載荷的貢獻(xiàn)率分別為86%、8%和4%，獲最大拉伸載荷的工藝參數(shù)組合為能量950 J、振幅75 mm、壓力0.552 MPa（A3B2C2），獲得最穩(wěn)拉伸載荷工藝參數(shù)組合為能量900 J、振幅70 mm、壓力0.621 MPa（A1B1C3）。

朱政強(qiáng)等[35]通過(guò)掃描電鏡觀察和撕裂試驗(yàn)，對(duì)Ti6Al4V鈦合金在不同超聲波焊接工藝參數(shù)下的接頭的橫斷面形貌及其力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨焊接時(shí)間的增長(zhǎng)，接頭橫斷面的削減程度增大，焊接時(shí)間是焊件質(zhì)量的決定性因素。在1144.53 N的靜壓力下，Ti6Al4V鈦合金的最佳焊接時(shí)間為125 ms，其界面結(jié)合強(qiáng)度最高。

ZHOU等[36]研究了焊接時(shí)間對(duì)AA6061鋁合金和純鈦薄板超聲點(diǎn)焊組織和抗拉強(qiáng)度的影響。研究表明，在接頭界面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金屬間化合物。隨著焊接時(shí)間的增加，接頭的峰值載荷首先隨著結(jié)合面積的擴(kuò)大而增大，然后由于Al側(cè)的疲勞裂紋而減小。峰值溫度隨著焊接時(shí)間的增加而增加。在焊接區(qū)，鋁合金通過(guò)焊接能量軟化，而純鈦的硬度沒(méi)有明顯變化，如圖4所示。ZHANG等[37]研究了6111鋁和Ti6Al4V鈦異型超聲波焊接過(guò)程中合金元素的界面偏析。研究表明，在鋁/鈦界面處發(fā)現(xiàn)了硅、鎂和氧的富集，但其他合金元素如銅和釩并未分離。在非常短的焊接時(shí)間（1.4 s）內(nèi)，在Al / Ti界面處發(fā)現(xiàn)了4%的Si。偏析的Si分布與O和Mg的分布成反比。Al / Ti界面上的殘留氧化物和偏析的Si可能會(huì)成為 Al3Ti成核和生長(zhǎng)的障礙。Ti和Si之間強(qiáng)烈的化學(xué)吸引力可能是Si偏向Al / Ti界面的驅(qū)動(dòng)力。Al / Ti焊縫界面處存在不連續(xù)的氧化物可能會(huì)降低焊縫的機(jī)械性能。

LIN等[38]研究了超低碳鋼與純鈦超聲焊接時(shí)的微觀組織。研究表明，焊接過(guò)程中溫度若超過(guò)600 ℃，結(jié)合強(qiáng)度會(huì)顯著提升并可能引起金屬斷裂。對(duì)界面、斷裂面、成分及晶體結(jié)構(gòu)的分析揭示，Ti元素從α相（六方密堆積結(jié)構(gòu)）向β相（體心立方結(jié)構(gòu)）的轉(zhuǎn)變，在高溫下增強(qiáng)了材料的可變形性，有助于消除鍵合界面附近的間隙，進(jìn)而促進(jìn)焊接質(zhì)量的提升。WANG等[39]研究了具有或不具有純Al夾層的Al5754-O和Ti-6Al-4V合金之間的固態(tài)超聲點(diǎn)焊異種接頭的組織、硬度和拉伸性能。在界面處微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著差異，含有Al夾層的接頭兩側(cè)比無(wú)夾層接頭出現(xiàn)了更為明顯的粘附現(xiàn)象。此外，異種接頭的硬度分布呈現(xiàn)出不對(duì)稱性，硬度值自Al側(cè)向Ti側(cè)逐漸遞增。ZHAO等[40]研究了鎂鈦異種金屬的超聲波焊接：通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元方法對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析的研究。焊接時(shí)間為0.5秒時(shí)，鎂合金焊點(diǎn)中心部分熔化形成液相。有限元分析顯示，鎂鈦超聲焊接界面的摩擦系數(shù)平均約為0.28。此時(shí)，界面最高溫度可超過(guò)600 ℃，達(dá)到鎂合金的熔點(diǎn)。塑性變形自0.35秒起在界面中心的鎂側(cè)發(fā)生。

三、展望

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Research Progress in Ultrasonic Welding of Light Alloys

XIAO Gang1， ZHAO Lun2， Zeshan Abbas2， SU Jian-xiong2

（1. Department of State-Owned Assets Management， Shenzhen Polytechnic University； 2. Institute of Ultrasonic Technology， Shenzhen Polytechnic University， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： Light alloy materials are widely used in automotive manufacturing， aerospace and other important industrial fields due to their excellent mechanical properties. As a reliable solid connection technology， ultrasonic metal welding shows unique advantages and broad prospects in high-strength connection of light alloy sheet materials. This paper systematically introduces the process parameters of ultrasonic welding technology and summarizes the latest research progress in finite element model construction， mechanical property analysis， microstructure characteristics， and fatigue performance testing in the field of aluminum alloys， magnesium alloys， and titanium alloys. The future exploration directions that need strengthening and breakthroughs in this technology are also envisioned.

Key words： ultrasonic welding； light alloys； process parameters； mechanical properties

（責(zé)任編輯：羅歡）