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工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响

李欢 周亢 张锦洲 杨雄 曹彪

李欢, 周亢, 张锦洲, 杨雄, 曹彪. 工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
引用本文: 李欢, 周亢, 张锦洲, 杨雄, 曹彪. 工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
Huan LI, Kang ZHOU, Jinzhou ZHANG, Xiong YANG, Biao CAO. Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties in high power ultrasonic welding of Cu/Al[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
Citation: Huan LI, Kang ZHOU, Jinzhou ZHANG, Xiong YANG, Biao CAO. Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties in high power ultrasonic welding of Cu/Al[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002

工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响

doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51175184,51605103);长江大学青年博士资助项目(802100270402).
详细信息
    作者简介:

    李欢,1983年出生,博士,讲师;主要从事新能源汽车焊接工艺及数值模拟的研究;发表论文7篇;Email:lihuan2009@163.com.

    通讯作者: 曹彪,博士,教授;Email:mebcao@scut.edu.cn.
  • 中图分类号: TG 404

Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties in high power ultrasonic welding of Cu/Al

  • 摘要: 尽管大功率超声波焊接可以更好的焊接较高的导电、导热性的材料,但是对焊接机理的认识还很少. 为了深入明晰焊接过程以及得到高质量的Cu/Al焊接接头,研究了不同夹紧力、焊接时间、焊接振幅以及焊头形状对Cu/Al大功率超声波焊接的界面温度、中间相生长和接头力学性能的影响. 结果表明,随着夹紧力的增大,界面中间相厚度先增大后减小. 随着焊接振幅的下降,界面温度的降幅增大且中间相厚度呈现近似线性下降. 最优的焊头齿数为9个,焊头齿数的增多和减少均会导致界面温度降低和焊接裂纹产生. 为获得较高的Cu/Al大功率超声波焊接质量,焊接振幅应设置为最高. 对焊接接头的拉伸断口进行扫描电镜测试表明,Cu/Al超声波焊接接头的断裂模式是韧性-脆性复合断裂. 研究结果为优化超声波焊接工艺参数提供了指导.
  • 图  1  超声波焊接原理图

    Figure  1.  Principle of USW

    图  2  不同齿间距下的焊头形状和主要尺寸(mm)

    Figure  2.  Profile and dominant dimensions of the sonotrode tips with different tooth intervals. (a) 0.8 mm; (b) 0.9 mm; (c) 1.0 mm

    图  3  不同夹紧力下界面温度测量结果

    Figure  3.  Interface temperature results under different clampling force

    图  4  不同焊接振幅下界面温度测量结果

    Figure  4.  Interface temperature results under different vibration amplitude

    图  5  不同焊接时间下界面中间相形貌

    Figure  5.  Morphology of IMC at different welding time. (a) 0.2 s; (b) 0.3 s; (c) 0.4 s; (d) 0.5 s

    图  6  EDS和XRD分析结果

    Figure  6.  EDS and XRD results. (a) EDS results; (b) XRDresults

    图  7  不同焊接振幅下Cu/Al中间相形貌

    Figure  7.  Morphology of Cu/Al interphase under different vibration amplitude. (a) 25 μm; (b) 22 μm; (c) 18.5 μm; (d) 16 μm

    图  8  不同焊接压力下中间相厚度

    Figure  8.  IMC thickness changes with clampling force

    图  9  不同焊头齿间距下界面温度

    Figure  9.  Interface temperature under different sonotrode tooth intervals

    图  10  不同焊头齿间距下的焊接横截面形貌

    Figure  10.  Profile  of  weld  cross-section  at  different sonotrode tooth intervals. (a) 0.8 mm; (b) 1.0 mm

    图  11   接头拉剪力随焊接压力和焊接振幅的变化

    Figure  11.  Lap-shear  force  under  different  clamplingpressures and vibration amplitudes. (a) clampling pressures; (b) vibration amplitudes

    图  12  铜/铝接头断口表面形貌

    Figure  12.  Images of Cu/Al joint fracture surface. (a) macroscopic images of the joint; (b) region A in Fig. 12a; (c) region B in Fig. 12a; (d) region C in Fig. 12c

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-29
  • 刊出日期:  2020-07-27

工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响

doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51175184,51605103);长江大学青年博士资助项目(802100270402).
    作者简介:

    李欢,1983年出生,博士,讲师;主要从事新能源汽车焊接工艺及数值模拟的研究;发表论文7篇;Email:lihuan2009@163.com.

    通讯作者: 曹彪,博士,教授;Email:mebcao@scut.edu.cn.
  • 中图分类号: TG 404

摘要: 尽管大功率超声波焊接可以更好的焊接较高的导电、导热性的材料,但是对焊接机理的认识还很少. 为了深入明晰焊接过程以及得到高质量的Cu/Al焊接接头,研究了不同夹紧力、焊接时间、焊接振幅以及焊头形状对Cu/Al大功率超声波焊接的界面温度、中间相生长和接头力学性能的影响. 结果表明,随着夹紧力的增大,界面中间相厚度先增大后减小. 随着焊接振幅的下降,界面温度的降幅增大且中间相厚度呈现近似线性下降. 最优的焊头齿数为9个,焊头齿数的增多和减少均会导致界面温度降低和焊接裂纹产生. 为获得较高的Cu/Al大功率超声波焊接质量,焊接振幅应设置为最高. 对焊接接头的拉伸断口进行扫描电镜测试表明,Cu/Al超声波焊接接头的断裂模式是韧性-脆性复合断裂. 研究结果为优化超声波焊接工艺参数提供了指导.

English Abstract

李欢, 周亢, 张锦洲, 杨雄, 曹彪. 工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
引用本文: 李欢, 周亢, 张锦洲, 杨雄, 曹彪. 工艺参数对Cu/Al大功率超声波焊接微观组织和力学性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
Huan LI, Kang ZHOU, Jinzhou ZHANG, Xiong YANG, Biao CAO. Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties in high power ultrasonic welding of Cu/Al[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
Citation: Huan LI, Kang ZHOU, Jinzhou ZHANG, Xiong YANG, Biao CAO. Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties in high power ultrasonic welding of Cu/Al[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 20-25. doi: 10.12073/j.hjxb.20191029002
    • 超声波焊接(ultrasonic welding, USW)过程中不需要添加焊剂,也没有电弧和烟尘产生,且焊接所需能量仅约为电阻点焊的2%[1-2]. 因此,超声波焊接是一种绿色节能、环境友好的焊接方法[3]. 铜和铝因具有较高的导热和导电性等优点,以搭接放置的方式广泛地用于锂电池的极耳焊接和汽车制造行业[4]. 目前铜与铝的焊接成为研究的热门和难点[5]. 但传统熔化焊均不适用于Cu/Al焊接,这是因为焊接界面会产生很厚的中间相(intermetallic compound,IMC)并且其厚度难以控制. 最近搅拌摩擦搭接焊(FSLW)应用于Cu/Al接头较多,但所需的顶锻力较大且搅拌针需插入工件内部容易磨损[6].

      作为一种固相焊接方法,超声波焊接相比其它焊接方法更适用于焊接异种金属[7]. 在超声波焊接中,气缸产生的焊头夹紧力(简称夹紧力)将焊头的机械能传递至工件之间,使界面产生塑性变形和冶金反应. 超声波金属焊接过程至少有3个阶段[8]:①在试样之间产生一系列局部的连接点;②焊头的机械振动打碎氧化物和污染物,造成材料的接触面形成;③工件在超声和温度软化作用下产生较高的塑性应变,促使接头形成.

      超声波焊接主要的工艺参数包括夹紧力、焊接振幅和焊接时间. 最近许多研究者展开了对工艺参数影响的研究. 李东等人[9]研究了不同焊接热输入对超声波焊接界面的影响,研究表明在较低的焊接热输入时,界面仅为分散的局部连接点,随着焊接热输入的增大界面出现漩涡、空位等特征. 另一个焊接参数是工具头(焊头和砧座)的几何尺寸,其尺寸的微小变化会影响焊接质量. 解龑等人[10]研究了底座齿形对泡沫镍薄板与纯铝超声波焊接的影响,试验结果表明,细的砧座齿形下的试样拉伸性能最优.

      由于超声波焊接是一个复杂的动态过程,目前对超声波焊接的机理认识仍然不清楚. 尽管部分学者开展了工艺参数对超声波焊接影响的研究,大部分工作主要为工艺参数与焊接质量的关系,对于界面的物理现象特别是对母材之间的扩散行为的影响研究较少. 此外,很少有文献研究焊头齿间距对超声波焊接的影响. 因此,文中研究了夹紧力、焊接振幅、焊接时间以及焊头形状对Cu/Al超声波焊接过程中的界面温度、材料的塑性变形、中间相的生长以及焊接接头力学性能的影响.

    • 超声波焊接结构由焊头、底座和工件组成,图1为超声波焊接的原理示意图. 超声波金属焊接设备采用Telsonic M5000型大功率(4 000 W)超声波金属焊机. 主要焊接参数包括夹紧力、焊接时间、焊接振幅和振动频率,其中焊机的振动频率保持在恒定值20 kHz. 所设定的焊接工艺参数为夹紧力1 375,1 575,1 775,1 975,2 175 N;焊接时间0.2,0.3,0.4和0.5 s. 焊接振幅分别为25,22,18.5,16 μm. 焊头和底座的材料均为M2高速工具钢. 焊头底部轮廓为方形结构,齿之间距离0.8,0.9和1.0 mm,所对应的齿数分别为10,9和8个,如图2所示. 底座两边放置固定钢块来保证焊点位于搭接区域中心,并可以防止在较大夹紧力下的试样旋转. 工件材料为100 mm × 25 mm × 0.8 mm的T2(Y2态)纯铜和6061-T6铝合金. 试样采取搭接放置,搭接的区域为25 mm × 25 mm. 考虑到工具头容易粘铝会影响焊接效果,以及6061-T6铝合金的硬度比纯铜高,焊接时将铜作为上工件.

      图  1  超声波焊接原理图

      Figure 1.  Principle of USW

      图  2  不同齿间距下的焊头形状和主要尺寸(mm)

      Figure 2.  Profile and dominant dimensions of the sonotrode tips with different tooth intervals. (a) 0.8 mm; (b) 0.9 mm; (c) 1.0 mm

      界面温度采用K型热电偶测温方法来测量. 考虑到超声波焊接过程较短,为保证测量精度,热电偶需要满足响应速度快和电偶丝体积小两方面的要求. 试验选用半径为0.1 mm的K型热电偶进行界面温度测量,具体方法为:在下工件(铝板)的上表面开0.5 mm半圆形孔,将热电偶塞入孔内,然后用精密电阻点焊机再将热电偶丝埋入材料内部. 热电偶测温位置距离焊接区域中心1.5 mm.

      焊接截面形貌与齿嵌入工件的过程有关,它直观反映了材料的变形行为. 试验中采用莱卡VHX-600型超景深电镜来观察焊接接头的宏观形貌. 通过配备有能量色散X射线光谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)来分析界面的微观组织. 为了进一步明确焊接界面处的中间相的组成,进行了X射线衍射 (XRD)分析. XRD光谱测量范围为20° ~ 90°,步长为0.02°,每步扫描时间为0.1 s.

      超声波焊接接头的拉剪力是评价焊接质量的主要手段,对Cu/Al超声波焊接试样进行了拉剪力测试. 拉伸机型号为岛津AGS-X微机控制电子万能试验机. 测量过程中设定拉伸速度为1 mm/min,对于每一组工艺参数,取3次测试的拉剪力的平均值作为该参数下的拉剪力. 由于超声波焊接区域不规则,难以精确计算其面积,因此记录了搭接接头在断裂时所施加的载荷值并用来评定焊接质量. 对于Cu/Al超声波焊接,其接头的抗拉强度要求达到同种金属焊接接头强度的50%以上.

    • 焊接界面温度是焊接冶金反应中重要因素,进而影响焊接质量[11]. 图3为在焊接时间0.5 s时不同夹紧力下界面温度随着时间的变化曲线. 随着夹紧力从1 375 N增加到1 975 N,界面处的温度也随之从412 ℃增加到532 ℃;当夹紧力继续增加至2 175 N时界面温度降低到495 ℃. 这是因为根据振幅测量结果,当夹紧力增加到1 975 N时,焊头与上工件振幅差增加,导致摩擦增加,使界面温度变高. 在过高的夹紧力下,高的温度促进了界面冶金反应,但同时热影响区也变得更大. 需要说明的是,热电偶无法测量焊接区中心的温度,而焊接界面中心的温度会比测温点高50 ℃[12],这表明高夹紧力下的界面温度将超过600 ℃. 根据Al-Cu二元平衡相图,该温度超过Al-Cu共晶转变的临界温度(546 ℃),因此会在界面处产生局部熔化,导致焊接强度降低[13].

      图  3  不同夹紧力下界面温度测量结果

      Figure 3.  Interface temperature results under different clampling force

      图4为不同焊接振幅下实际测量的界面温度. 随着焊接振幅的降低,界面温度也随之下降,且下降幅度更高. 在焊接振幅25,22,18.5,16 μm时界面温度分别为433,412和357 ℃. 这是因为在较低的焊接振幅下传至界面的机械能也随之减小.

      图  4  不同焊接振幅下界面温度测量结果

      Figure 4.  Interface temperature results under different vibration amplitude

    • 扩散产生中间相是异种金属超声波焊接的重要机理. 在大功率Cu/Al超声波焊接中界面的扩散对接头性能影响较大[14],是决定着异质金属超声波焊接质量的最重要的因素. 图5为夹紧力1 575 N时不同焊接时间下所获得的Cu/Al超声波焊接接头中心区域界面微观组织形貌. 在焊接时间0.2 s时,界面开始出现了断续分布的金属间化合物,主要由于焊接初期阶段界面温度分布不均匀. 随着焊接时间的进一步增加,金属间化合物层厚度也随之逐渐增加,并在焊接时间0.5 s时达到2.1 μm. 图6为界面中心附近点(图5d中A点)EDS和XRD的分析结果. 结果表明,反应层中Al和Cu的原子比分别为74.23%和25.77%. 根据Al-Cu相图,中间相主要为Al2Cu. 为了进一步明确界面中间相成分,对Cu/Al接头断口的Al侧进行XRD分析,如图6b所示. 结果表明,在焊接中形成的中间相主要由Al2Cu组成. 因此,XRD结果与EDS结果一致.

      图  5  不同焊接时间下界面中间相形貌

      Figure 5.  Morphology of IMC at different welding time. (a) 0.2 s; (b) 0.3 s; (c) 0.4 s; (d) 0.5 s

      图  6  EDS和XRD分析结果

      Figure 6.  EDS and XRD results. (a) EDS results; (b) XRDresults

      图7为Cu/Al中间相形貌随焊接振幅增加的演变过程. 随着焊接振幅由25 μm下降至16 μm,中间相厚度也随之逐渐减少,这是因为焊接振幅越低,界面温度也变低. 焊接振幅在16 ~ 25 μm变化时,中间相厚度呈近似线性下降,分别为0.71,1.12,1.54和2.10 μm.

      图  7  不同焊接振幅下Cu/Al中间相形貌

      Figure 7.  Morphology of Cu/Al interphase under different vibration amplitude. (a) 25 μm; (b) 22 μm; (c) 18.5 μm; (d) 16 μm

      图8为不同夹紧力下界面中间相厚度. 可以明显看到,随着夹紧力从1 375 N增加到1 975 N,中间相的平均厚度也从1.4 μm增加到3.2 μm,这是因为夹紧力越高,焊接界面温度 (图3)以及材料变形越大,使原子激活能及工件内部的空位率增大. 在夹紧力2 175 N下,平均中间厚度为2.9 μm,略低于1 975 N的中间厚度,中间相厚度减小的原因是界面温度的降低.

      图  8  不同焊接压力下中间相厚度

      Figure 8.  IMC thickness changes with clampling force

    • 图9为不同齿间距下界面温度随焊接时间变化曲线. 从图9可知,齿间距为0.9 mm时温度最高,为448 ℃,其次为0.8 mm的446 ℃和1.0 mm的420 ℃. 虽然齿间距1.0 mm时焊头齿数最少(8个)而所对应的摩擦力最大,但同时使热源区域少,因此界面温度比焊头齿间距0.9 mm时低;焊头齿间距为0.8 mm时虽然热源作用区域集中,但摩擦力较小,导致界面温度与齿间距0.9 mm时略低.

      图  9  不同焊头齿间距下界面温度

      Figure 9.  Interface temperature under different sonotrode tooth intervals

      图10为在夹紧力1 575 N条件下观测的不同焊头齿间距下的焊接横截面形貌. 焊头齿间距在0.8 mm和1.0 mm时均出现了焊接裂纹. 这是因为当齿间距较大时,由于所对应的齿数少,使得材料更容易塑性变形,这促进了裂纹的产生;当齿间距较小时,在焊接前期温度较高,使塑性变形阶段更长,也容易产生裂纹. 齿数的增多使作用在工件上的压力减小,这样会避免焊接裂纹的生成,但同时由于摩擦热的减少导致较低的界面温度,使得界面扩散不足以形成可靠的焊接接头. 因此,在Cu/Al超声波焊接时应选择焊头齿数为9个.

      图  10  不同焊头齿间距下的焊接横截面形貌

      Figure 10.  Profile  of  weld  cross-section  at  different sonotrode tooth intervals. (a) 0.8 mm; (b) 1.0 mm

    • 超声波焊接Cu/Al接头的强度取决于3个要素:①界面处的塑性应变;②IMC的成分和厚度;③焊头和上工件的振动位移. 图11为接头拉剪力随夹紧力和焊接振幅的变化. 图11a为焊接接头的拉剪力与夹紧力的关系. 可以看出,在夹紧力1 575 N时接头拉剪力达到最大值3 150 N,这是因为IMC厚度在近似2 μm时会促进冶金结合且不会降低焊接质量[15]. 该拉剪力达到采用相同焊机焊接的Cu/Cu接头拉剪力的73%[16],这说明焊接质量较高. 当夹紧力过小时,界面摩擦力低,塑性变形较小,这难以形成完整的焊接面. 在过大的夹紧力下,焊接区域边缘处会出现裂缝,甚至可能延伸到焊接界面,这破坏了焊接结构并减小了焊接区域. 此外,过大的夹紧力产生过厚的脆性中间相(图7),这种情况会降低焊接质量. 最后,过大的夹紧力会阻碍试样的振动,导致它们之间的相对摩擦力减弱,使焊头上的温度过高,这会损坏焊头. 图11b显示了焊接接头拉剪力随焊接振幅变化关系. 从图中可以看出,拉剪力随焊接振幅的增加也随之增加. 这是因为焊接振幅越低,界面温度也越低;此外,较低的焊接振幅降低了超声软化程度,导致材料塑性变形低,不足以形成高质量的焊接.

      图  11   接头拉剪力随焊接压力和焊接振幅的变化

      Figure 11.  Lap-shear  force  under  different  clamplingpressures and vibration amplitudes. (a) clampling pressures; (b) vibration amplitudes

      图12为Cu/Al接头断口表面形貌. 图12a为夹紧力1 575 N、焊接时间0.5 s时焊接接头断口形貌. 从图12a可以看到,在断裂表面中同时存在焊接区域和摩擦区域;接头拉伸断裂位置在焊接界面,同样能说明焊接质量较高. 在图12b中可以看到明显的塑性变形区域. 图12c中可以看到韧性和脆性两种不同的断裂模式. 图12d中明显看到大量不同尺寸的韧窝区域,这表明Cu/Al超声波焊接接头的断裂模式是韧性-脆性复合断裂.

      图  12  铜/铝接头断口表面形貌

      Figure 12.  Images of Cu/Al joint fracture surface. (a) macroscopic images of the joint; (b) region A in Fig. 12a; (c) region B in Fig. 12a; (d) region C in Fig. 12c

    • (1) 在Cu/Al大功率超声波焊接中,在夹紧力1 575 N、焊接时间0.5 s和焊接振幅25 μm时获得了成形较好的Cu/Al接头,此时拉剪力为3 150 kN,对应的断裂形式为韧性-脆性混合断裂.

      (2) 随着夹紧力的增大,界面温度和中间相厚度先增大后减小. 过大的夹紧力会产生过厚的脆性中间相以及过高的塑性应变,从而降低焊接质量.

      (3) 随着焊接振幅增大,界面温度增幅随之变大,中间相厚度呈近似线性增加. 当焊接振幅25 μm时,界面的中间相厚度为2.1 μm,此时界面的中间相主要为Al2Cu.

      (4) 对于Cu/Al大功率超声波焊接,焊头齿数为9个最适合. 齿数的增多和减少均会导致界面温度的降低以及焊接裂纹的产生.

参考文献 (16)

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