超聲波焊接中焊接參數(shù)對焊點質(zhì)量的影響

1、超聲波焊接參數(shù)對不同焊點微觀結(jié)構(gòu)和機械性質(zhì)的影響摘要超聲波點焊技術(shù)相對于傳統(tǒng)融化焊接技術(shù)在應(yīng)用上的便利，讓其在過去數(shù)年間獲得了巨大的關(guān)注。不同的鋁與不銹鋼合金之間的熔焊始終是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),因為對焊滴大小的糟糕控制以及焊接金屬中形成不需要的脆性金屬間化合物，并且還會對機械性質(zhì)產(chǎn)生有害的影響。以前,已經(jīng)實現(xiàn)不同合金之間焊接方法有電子束焊接,激光焊接和攪拌摩擦點焊,電阻點焊等。但是，很少有報道關(guān)于不同鋁與不銹鋼合金之間的焊接使用超聲波點焊技術(shù)。目前工作的目標(biāo)是優(yōu)化超聲波點焊機參數(shù)來焊接3003的鋁合金與304不銹鋼。焊接在不同的合模壓力（例如30、40、50和60 psi）以及能量水平下進(jìn)行

2、，并以此來調(diào)查壓力與能量對金屬微觀結(jié)構(gòu)、機械性質(zhì)以及節(jié)點質(zhì)量的影響。例如：“焊接不足”、“好焊”與“過度焊接”的定義利用了不同焊接參數(shù)情況下的焊接的物理屬性。利用125焦耳和150焦耳能量制作焊接樣本顯示了最大粘結(jié)強度，并且被劃定為“好焊”，同樣還揭露對于高質(zhì)量的焊接,最大抗拉強度依靠合理規(guī)模的結(jié)點密度與材料變薄(形成冶金結(jié)點之所需)獲得的。1、前言超聲波點焊（USW）在不同的行業(yè)，例如電氣、電子2以及特別是汽車行業(yè)3，對于不同（材料）之間的焊接被熟知為固態(tài)的連接處理1。這種連接技術(shù)避免了與熔化焊接相關(guān)的一般問題，比如快速形成金屬間化合物、脆性階段的演變以及焊接部分的變形2。此外，超聲波焊接并

3、不需要任何填充和焊接材料4。超聲波技術(shù)在金屬中產(chǎn)生焊點并保持金屬固態(tài)狀態(tài)不需要融化以及可塑部分的融合5。因此超聲波點焊技術(shù)適用于有色軟金屬及其合金,如銅、鋁、黃銅、金和銀5。超聲波點焊的金屬例如鋼、鈦、鎳以及其多樣化的不同組合如Al /鋼鐵、金屬/陶瓷、金屬/玻璃、鋁/銅，在文獻(xiàn)6,7中也有論述。在超聲波點焊中，好的焊接結(jié)點甚至是薄片需要更高的能量8，以往，不同合金之間的焊接可以通過束焊接9,激光焊接10和攪拌摩點焊法11,電阻點焊12等方法實現(xiàn)。但是，很少有報道關(guān)于不同鋁與不銹鋼合金之間的焊接使用超聲波點焊技術(shù)。超聲波金屬焊接首次被介紹是在1950年應(yīng)用于線路焊接、管焊接、薄金屬箔片焊接13

4、。這種技術(shù)相對于傳統(tǒng)電阻點焊法（RSW）用相對少的能量，對于RSW，結(jié)點一般是在相對較低的溫度（大約300）較短的焊接周期（<0.5s）條件下形成的14。對于超聲波點焊楔形簧片以及橫向獲取系統(tǒng)配置一般是需要用到的。在這兩個系統(tǒng)中通過換能器轉(zhuǎn)換的電能，并產(chǎn)生頻率相同的剪切振動，然后這種頻率傳遞到置于恒定夾緊力下的工件。高頻剪切振動（一般20KHZ）帶有消除氧化物和污染物層以及產(chǎn)生剪切變形的附帶影響。隨著溫度的身高發(fā)生軟化并且吸收聲能降低了材料的屈變力。這導(dǎo)致開始時金屬彼此相連并且產(chǎn)生粘附。同樣在兩金屬交界面也會產(chǎn)生擴(kuò)散5，在超聲波點焊過程中有幾個焊接機理，包括由塑性變形、焊接交界面的擴(kuò)散、

5、摩擦生熱產(chǎn)生的融化、交界面化學(xué)反應(yīng)和機械咬合產(chǎn)生的冶金附著力1。盡管由于這些焊接的機理，但是對于焊接機理任然是不清楚的并且到目前為止存在爭議。幾乎沒有研究針對鋁與其他金屬如Al -銅、Al-Au 、Al-Fe之間的連接，甚至連鋼的焊接都很少15。雖然，對于USW的焊接質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)還沒有建立，但是一些研究已經(jīng)開始確定超聲波焊接結(jié)點的質(zhì)量，例如：打算將電阻點焊法中用以質(zhì)量評估的表面檢測法用于超聲波點焊17。Kong等人 18、和Yang等人19建議“線性焊接密度（LWD）”作為結(jié)點質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)。Hetrick等人13描述幾種焊點橫截面的微觀結(jié)構(gòu)特征來評價汽車制造業(yè)中超聲波金屬焊接的過程參數(shù)。 Ba

6、kavos 和 Prangnell20分析了超聲波點焊法中鋁合金焊點形成的微觀將結(jié)構(gòu)。Zhou等人發(fā)展了針對焊接樣品的有限元分析模型21，這種模型根據(jù)兩種截然不同的失效模式：超聲波金屬焊點的拉伸破裂與內(nèi)部界面破裂，來預(yù)測超聲波金屬焊點的性能。Kim等人22，利用導(dǎo)電材料，例如copper-plated,鍍鎳銅，產(chǎn)生超聲波金屬焊點，并且通過確定在T-peel測試中的失效模式發(fā)展了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。雖然，這些研究已經(jīng)被用來確定超聲波焊點的質(zhì)量，但是這些研究中沒有一種確定了物理屬性與焊點性能之間簡單的聯(lián)系。Zhou等人23，建議可以測到的物理屬性可能影響焊點的性能。這一觀點最近被Lee等人16用到，來描繪敷

7、鋰銅片，在這個研究中，試圖努力優(yōu)化超聲波點焊參數(shù)來連接3003鋁和304不銹鋼（304SS）。為了更深的理解超聲波點焊的機理，從質(zhì)量和數(shù)量的角度對焊點復(fù)雜的特征做了描述。2、理論背景超聲波點焊系統(tǒng)包括五個主要的部分，(i)供電部分，電源提供高頻（一般20kHz）的電能，(ii)壓電轉(zhuǎn)換器，將電能轉(zhuǎn)換成相同頻率的線性機械振動，(iii)放大器，放大機械振動幅度，(iv)超聲波發(fā)生器，進(jìn)一步放大機械振動的幅度，(v)氣缸，提供焊接時夾緊壓力20， USW使用兩個系統(tǒng)，即楔形簧片和橫向獲取系統(tǒng)，在楔形簧片系統(tǒng)中因為是彎曲度模型所以對于參數(shù)的準(zhǔn)確控制是不可能的，通過簧片機械振動轉(zhuǎn)換到工件的振動。在這個

8、系統(tǒng)中，鐵砧有時作為一個振動部分，因為相位和簧片產(chǎn)生共振，這就是為什么楔形簧片系統(tǒng)對于焊接很厚的片更有用。另一方面，橫向獲取系統(tǒng)簡單并且允許焊接參數(shù)通過換能器被測到，對于硬度較低薄片比較有用，可以實現(xiàn)不同類型之間的焊接比如線、縫、環(huán)形，但焊接結(jié)點布置更適合這種配置。因此，在這個研究之中典型的結(jié)點配置（圖2）是利用橫向獲取系統(tǒng)產(chǎn)生。在超聲波點焊法中，頻率、振動幅度、吸附力、功率、能量以及時間是相互聯(lián)系的主要過程參數(shù)，超聲波點焊設(shè)備可達(dá)到的頻率范圍在1575kHz之間，其中，20kHz是最常用的，在這個頻率（20kHz）有很高的應(yīng)變速率（103-105/s），并且修整焊接樣品之間微米級的粗糙表面時

9、在局部會很快形成張力24。Bates等人25 ，、在理論上計算了剪切應(yīng)變速率可利用以下關(guān)系： r'=2fAh0 此公式中f代表頻率，h0代表超聲波發(fā)生器之間焊接板片的厚度減少量，A代表USW設(shè)備的振動幅度。振動幅度是最重要的過程參數(shù)，并且它與功率以及升壓設(shè)備或超聲波發(fā)生器提供的增益有關(guān)。由USW產(chǎn)生的振幅范圍在3060um20，能量輸入域振動幅度之間的關(guān)系可由以下關(guān)系給出24： EA2 （2）應(yīng)用于焊接表面的靜態(tài)壓力依靠的是焊接端點以及由氣動氣壓缸調(diào)節(jié)的吸附力，臨界吸附力要求產(chǎn)生焊接表面的緊密連接。一般來說，巨大的變形是系統(tǒng)的大功率產(chǎn)生高吸附力的結(jié)果，另一方面，吸附力不足產(chǎn)生焊接表面滑

10、動或者粘連，導(dǎo)致焊接表面過熱，進(jìn)而設(shè)備損壞26。最大的功率用來產(chǎn)生超聲波穿透系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)控制焊接周期中保持超聲波堆棧運動所需功率大小，這個系統(tǒng)控制改變焊接時間來滿足不同的能量標(biāo)準(zhǔn)。直到達(dá)到令人滿意的能量標(biāo)準(zhǔn)以及完成焊接周期。因此，焊接時間主要是由功率和能量大小決定，其關(guān)系可表示為以下關(guān)系式： E=P* t （3）此公式中，E代表能量，P代表功率 以及t代表時間，在目前前工作中，各種不同的吸附力的作用，例如：在不同的能量標(biāo)準(zhǔn)下使用30、40、50以及60psi來焊接3003鋁和SS合金的薄片。3、實驗細(xì)節(jié)超聲波焊接點是利用2.4kW的超聲波點焊機使用300um厚的3003鋁合金薄片和50um厚

11、的304SS合金薄片產(chǎn)生，系統(tǒng)原理圖見于圖1，一個尺寸為8x6mm的焊嘴和超聲波發(fā)生器相連，其中只有一種模式會在所有實驗中應(yīng)用，因為不同的模式對于焊接力量影響不同27。樣品按照平行于滾動方向切割為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格25x100mm2，并且焊接表面有25mm的重疊，不需要清潔也不需要預(yù)先處理。超聲波點焊的振動方向垂直于薄片的滾動方向，在這個實驗中超聲波振動的幅度范圍在58um左右。這個超聲波電焊機可獲得的最大功率是2.4kW，這個功率在整個過程中保持穩(wěn)定。焊接的能量根據(jù)不同的吸附力在75200焦耳之間變化，例如吸附力為30、40、50或60psi，為了評價焊接結(jié)點強度，利用MTS831.10彈塑性計檢測系

12、統(tǒng)對每種焊接情況的焊點進(jìn)行拉伸測試。使用一個5kN的負(fù)載來避免固定置換速率1mm/min下產(chǎn)生的不必要的動態(tài)效應(yīng)，使用Leco VC-50精密金剛石切割工具將焊點進(jìn)行切片。為避免熱效應(yīng)對焊點微觀結(jié)構(gòu)的影響，對切片的試件冷安裝兩個環(huán)氧樹脂組件。對安裝有組件的試件使用碳化紙拋光至800粒度大小，然后用金剛石打磨至1um，進(jìn)一步用硅膠處理到0.05um，用顯微鏡查看，樣品在室溫條件下在腐蝕溶液（100mL水，4克高錳酸鉀，1克氫氧化鈉）中被侵蝕，圖片是通過Olympus GX 51光學(xué)顯微鏡獲得的。維氏硬度測量是在整個焊點拋光表面進(jìn)行的，同樣也在低于表面1mm的不同的位置進(jìn)行測量，使用的是Leco

13、MA 100硬度檢測設(shè)備，其負(fù)載為25克。圖1圖2圖34、結(jié)果與討論4.1、剪切測試在圖3之中，描繪了對于焊點樣片最大的拉伸負(fù)載相對于2.4kW恒定功率下四種不同吸附力的關(guān)系?？梢栽?0和60psi的吸附力條件下觀察到幾乎相似的趨勢，結(jié)點強度在能量升到125焦耳之前時增加，然后降低。在吸附力為30psi時，結(jié)點強度一直波動直到能量上升到150焦耳，然后呈現(xiàn)下降趨勢。在另一方面，吸附力為50psi時，結(jié)點強度沒有明顯的趨勢，只是在225300牛頓之間波動。對于更低的吸附力（30psi），需要更長的時間在225焦耳能量條件下來達(dá)到拉伸強度的最佳效果。另一方面，對于吸附力為50psi，只需要更短的時

14、間更低能量來達(dá)到中等強度。此外，對于更高的吸附力（60psi），焊點呈現(xiàn)出相似的強度在更短的時間（0.14s）更低的能量（125焦耳）相較于之前的兩種情況。從這個圖中可以清楚看到在更高能量時焊點強度的降低以及吸附力的下降，這是因為在超聲波點焊中更高的吸附力會導(dǎo)致高滑動阻值產(chǎn)熱增加。因此，在可塑性工作中通過微焊以及能量消耗可以使焊接快速發(fā)生。但是，在吸附力很高的條件下，焊接表面發(fā)生粘連，焊接界面最初的變形主要是彈性變形而不是由于釋放熱量打破結(jié)點導(dǎo)致的塑性變形29。4.2、用焊點屬性來描述焊點調(diào)查焊點物理屬性與焊點性能的關(guān)系，將光學(xué)顯微鏡和硬度測量設(shè)備應(yīng)用到切割樣片不同部分表面測量，這些樣片是在4

15、0psi吸附力以及不同焊接能量值（75200焦耳）條件下獲得的。光學(xué)顯微圖像見于圖4（a）-(c)，針對于不同焊接能量。可以從圖4中看出沿著焊接表面存在缺口，缺乏焊點。例如：表面的缺口是因為能量低于75焦耳。可以從圖中看出缺口隨著能量的升高變得模糊，并且材料之間更加緊密的連接在一起。隨著焊接能量的提升可以從圖中清晰地觀察到隨著焊接能量的提升鐵砧的痕跡以及超聲波發(fā)生器的增強，因為能量的過度輸入導(dǎo)致了材料的變形16。隨著能量的增加鐵砧痕跡加深和以前的研究是相符的284.2.1、結(jié)點機理在超聲波點焊機中，冶金附著力在整個界面上擴(kuò)散。局部的融化與機械咬合1是主要觀察的機理。用光學(xué)顯微鏡觀察用125焦耳

16、能量產(chǎn)生的焊點樣片，如圖5，局部的微小結(jié)點可以從焊接表面上觀察到。能觀察到是因為剪切形變的連續(xù)性，在圖5中可以很明顯的觀察到這種連續(xù)性導(dǎo)致結(jié)點連接成線16，以及因為可塑性變形區(qū)域擴(kuò)大而出現(xiàn)復(fù)雜的波。因此，超聲波焊點的強度是表面波以及焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)共同影響的，當(dāng)焊接能量輸入值超過了獲得好的焊點強度最優(yōu)值，焊點形成的線會變得很復(fù)雜，并且和一般焊點形成的線不同，如圖6所示，此時焊點形成的線看起來和順著焊接界面表面波相似，只是幅度更大16。局部的結(jié)點區(qū)域從超聲波焊嘴附近開始發(fā)展，并且結(jié)點區(qū)域開始在整個表面上開始擴(kuò)散，隨著已經(jīng)軟化材料因為焊接界面上一般的剪切力經(jīng)受巨大的可塑性變形。因此，焊接表面上焊

17、點形成機理對于相同的樣品可歸結(jié)如下：(i)在焊接表面上焊點線的擴(kuò)散和形成， (ii)連續(xù)一般的和剪切力導(dǎo)致的沿著焊點線的變形， (iii)材料之間微觀結(jié)點的生長。圖44.2.2、材料流動對光學(xué)微觀圖像（圖4）的分析，揭示了隨著能量增加超聲波發(fā)生器的痕跡和鐵砧痕跡加深，這也和所用材料的厚度和類型有關(guān)。結(jié)點模式導(dǎo)致的變形可歸結(jié)如下：(i) 超聲波發(fā)生器通過摩擦對材料表面施加剪切力，(ii)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的重復(fù)滑動和摩擦導(dǎo)致材料表面的可塑性形變， (iii)超聲波結(jié)點路徑深入材料隨著材料變形區(qū)域擴(kuò)大，圖7（a）和（b）是放大的橙色和藍(lán)色矩形圖像如圖4相應(yīng)的表示，從圖7（a）中放大的圖像，可以看出材

18、料流動只在焊嘴的局部發(fā)生，因為結(jié)點平面的高應(yīng)變速率。圖8所示，結(jié)點路徑如何深入材料，在40psi吸附力條件下，隨著焊接能量從100增加到200焦耳，結(jié)點路徑在材料中越是深入、材料形變增加。最初，痕跡侵入越來越深，然后慢慢下降最后減少，然而焊接能量在增加，這個壓痕速率解釋為：最初的深的壓痕是由存在足夠空間適應(yīng)變形的材料流動導(dǎo)致的。但是，隨著焊接能量的增加材料流動減少是因為沒有更多空間來適應(yīng)材料流動，因此，在USW中材料流動發(fā)生是因為過度的塑性形變，這增加了焊接表面的摩擦，但是，過度材料流動導(dǎo)致變薄和弱化，這些對焊點強度產(chǎn)生了負(fù)面影響16。4.2.3、加工硬化和軟化圖9（a）所示為在振動方向有顆粒

19、結(jié)構(gòu)的3003鋁的微觀結(jié)構(gòu)，隨著超聲波點焊過程開始，焊接表面由于超聲波能量的摩擦效應(yīng)而經(jīng)受剪切力，超聲波能量也產(chǎn)生塑性變形16。微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示，和低焊接能量（75焦耳）的結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)焊接能量增加接收到的微觀結(jié)構(gòu)開始消失，新的微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶開始出現(xiàn)在焊接表面如圖9（c）和（d），這種結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)形成的原因連續(xù)的超聲波功率的輸入導(dǎo)致的溫度上升16，這種微觀結(jié)構(gòu)的改變和焊接材料的機械性能有聯(lián)系。從圖3，剪切拉伸強度的結(jié)果表示低能量值（75和100焦耳）產(chǎn)生的焊點，因為微觀結(jié)構(gòu)對小的拉伸負(fù)載是失效的。被定義為“焊接不足”，在焊接能量為125和150焦耳條件下的焊接樣品展現(xiàn)除了最大的拉伸負(fù)載，在這

20、兒，確定表面有結(jié)晶并且這種焊接被劃分為“好焊”，在焊接能量175和200焦耳條件下產(chǎn)生的焊點展現(xiàn)了低強度，因為軟化和變薄，這種被定義為“過度焊接”16，硬度測量儀被用來確定焊接材料的硬度和變薄程度，硬度情況和焊接能量的關(guān)系圖如圖10所示，測量硬度的區(qū)域位于超聲波峰值，在這個位置預(yù)測的最高的應(yīng)變速率如圖10的插圖所示。在焊接能量75和100焦耳條件下的焊接樣片的硬度值比一般的樣品高，然后，隨著焊接能量的增加硬度下降到一般樣品的硬度值以下。這個結(jié)論是由微觀結(jié)構(gòu)分析和硬度一起得出的，體現(xiàn)了利用超聲波點焊的材料的可塑性行為16。圖12（a）闡述了在不同方向硬度的變化，在表面和溝槽區(qū)域，在低焊接能量時表

21、面的硬度值比溝槽區(qū)域的硬度值高，但是硬度值的差值隨著焊接能量的增加不再增加，顯微圖11（b）體現(xiàn)了延長的顆粒結(jié)構(gòu)的消失，以及在焊接表面相對于溝槽區(qū)域結(jié)晶取代可塑性變形， 因此，表面的材料吸收更高的焊接能量，這展現(xiàn)了工作硬化和持續(xù)上升的溫度導(dǎo)致的軟化。如此一來，超聲波點焊技術(shù)像是接著熱處理之后的冷加工，這導(dǎo)致材料通過結(jié)晶過程和隨溫度連續(xù)上升的顆粒生長而恢復(fù)自由形變狀態(tài)16。 圖5圖6圖7 圖8圖9圖10 圖11圖125、用物理屬性評估焊接質(zhì)量一個好的焊接應(yīng)該具有稠密的焊接結(jié)點而且沒有缺口和變形。在這個部分中，物理屬性，例如：結(jié)點稠密度和焊接后厚度與焊點質(zhì)量是有聯(lián)系的，并對微觀結(jié)構(gòu)分析和硬度測量等

22、物理屬性進(jìn)行討論。5.1、結(jié)點密度結(jié)點密度是一個重要的物理屬性對于評價焊點的性能，冶金附著力、微觀結(jié)點和從材料表面觀察到的結(jié)點線路徑的復(fù)雜波，圖13（a）-（c）光學(xué)圖像中焊接樣品上結(jié)點線具有不同的能量75焦耳“不足”，125焦耳“恰好”以及200焦耳“過度”。在以下焊接樣品中，順著結(jié)點線缺口是清晰可見的，但是多重結(jié)點區(qū)域不僅在“好焊”中找到，同樣也在“過度焊接”中找到，但是，結(jié)點密度在過度焊接樣品中是很高的相對于“好焊”，但是，剪切拉伸實驗結(jié)果表明“好焊”的高強度如圖3，因此結(jié)點密度獨自并不具備評價USW焊接3003鋁和304SS合金之間焊點強度的作用。5.2、焊接后厚度焊接后厚度是另一個重

23、要的可能會影響超聲波焊接金屬性能的物理屬性16，焊接后厚度與焊接能量的關(guān)系如圖14所示，從圖14可以清楚地看到焊接能量增加時材料厚度降低很快直到它原本厚度的34%能量為175焦耳，并且保持或多或少在170um的固定值。這是因為在高焊接能量時，使得在超聲波端點處的溝槽區(qū)域沒有可用的空間讓材料流動16。從圖4、13和14，可以推斷出“好焊”是在形變厚度達(dá)到它飽和厚度170um的一半。在低能量值，“焊接不足”的焊點（幾乎沒有結(jié)點區(qū)域）的形成是因為超聲波發(fā)生器的探頭有變形的材料，最大的結(jié)點密度可以在變形厚度為170um的條件下達(dá)到，但是，這種方案產(chǎn)生“過度焊接”焊點，這種焊點因為溫度原因?qū)е碌能浕蛊?/p>

24、具有相對較低的強度。5.3、硬度分布硬度測量在焊接界面內(nèi)以及沿底部板片的中心線的焊接區(qū)外進(jìn)行，如圖15（a）和（c）所示。比較焊接表面的硬度，鋸齒型缺口被制作在焊接平面尖端和溝槽區(qū)域，硬度值在這些區(qū)域有很大的不同，這是因為不同材料之間的連接以及焊接點物理彎曲。為了確定不同區(qū)域外的硬度，鋸齒形的缺口在材料底面的中心線上每間隔0.1mm制作一個，如圖15所示，硬度值的不同也描繪在圖15（c）之中，不同的硬度值可以斷定每個焊接樣品，其材料在不同方式下所經(jīng)受的硬化以及軟化。從圖15之中可以清楚看出：在低焊接能量時，硬度值在焊接區(qū)域邊界附近增加，之后和一般的焊接一樣開始降低。在另一方面，對于增加的焊接能

25、量（超過焊接樣品），最高的硬度值從焊接區(qū)域邊界向外轉(zhuǎn)變，在一個“過度焊接”的樣品中，硬度值最初開始下降后來開始升高從焊接區(qū)域，最后下降到和本來的硬度值或多或少相同。焊接區(qū)域硬度值的增加是因為冷工作，因為循環(huán)的壓力施加到水平（以超聲波振動的形式）和垂直（以吸附力的方式）方向16，但是，邊界處硬度值的下降是因為溫度升高導(dǎo)致的軟化。硬度值下降到原始值以下是因為材料在超聲波探頭處承受高壓，因此，焊接區(qū)域的外部區(qū)域在溫度和機械方面都受到超聲波振蕩工具的影響。5.3.1、不同焊接區(qū)域的分類圖16中顯示的3個不同的區(qū)域在所有焊接樣品中都是明顯區(qū)分的，區(qū)域“1”稱為焊接融核（WN），在這個地方實際是焊接的結(jié)點

26、，如同早前提到的，由于表面的摩擦導(dǎo)致的塑性變形，這進(jìn)一步會導(dǎo)致顆粒狀的結(jié)晶因為溫度的上升。區(qū)域“2”就是所說的溫度機械影響區(qū)域（TMAZ），這個區(qū)域存在熱變形和塑性變形。區(qū)域“3”就是基礎(chǔ)部分，也就是在焊接過程中微觀結(jié)構(gòu)和機械性質(zhì)不變的區(qū)域，圖16顯示了整個部分的微觀結(jié)構(gòu)，焊接能量為200焦耳的過度焊接，三種區(qū)域可以清楚地的在圖16（b）中觀察到。但是，其微觀結(jié)構(gòu)與“好焊”截然不同，這幅圖同樣揭示了區(qū)域“2”和區(qū)域“1”在“過度焊接”樣品中比在“好焊”樣品中要更大。5.3.2、評價焊點性能超聲波點焊的焊點性能是由破壞檢測中失效模式確定的20。在剪切拉伸中，失效模式對于良好的焊接以及過度焊接不同

27、，之所以不同的原因可以歸結(jié)于好焊和過度焊接不同的微觀結(jié)構(gòu)和機械性質(zhì)，這就導(dǎo)致了在拉伸測試中每個樣品承受不同的壓力，因此，可以確定焊點性能與焊接區(qū)域之間的性質(zhì)關(guān)系，焊接區(qū)域比如：區(qū)域“1”、區(qū)域“2”和區(qū)域“3”16。圖15中，在焊接能量為125焦耳的條件下，硬度的梯度值和每個區(qū)域是相互聯(lián)系的，在這個實驗中，硬度值在遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生器探頭最遠(yuǎn)端的地方增加，緊接著開始下降直到和一般樣品的硬度值相同。第一次增加是在區(qū)域“1”和區(qū)域“2”之間，第二增加是在區(qū)域“2”與區(qū)域“3”的交界線，在焊接能量為75焦耳時，焊接樣品中區(qū)域1和區(qū)域2之間沒有明顯的區(qū)別，這是因為焊接能量比較低時，焊接表面沒有充分的熱軟化

28、使得區(qū)域1和區(qū)域2沒有完全的形成。圖17顯示了幾乎一半大小的區(qū)域1和區(qū)域2（原理圖如圖16（a）所示），在不同焊接能量條件下的關(guān)系在圖中都可以看到。從圖17中可以清楚地看到TMAZ區(qū)域隨著焊接能量的增加從而增加的很快，另一方面，在剪切測試中力集中的WN區(qū)域在體積上有不明顯的增長，這是在焊接能量為140焦耳的條件下測定的，并且隨著輸入能量的增加，體積幾乎保持不變。5.4、焊點質(zhì)量與焊點屬性之間的聯(lián)系圖18顯示了焊點屬性（例如結(jié)點密度和變形后材料的厚度）與剪切拉伸強度之間的關(guān)系，隨著焊接能量的增加焊點密度變大以及材料變薄，這是因為焊接表面形成微觀結(jié)點。同樣也揭示了對于“好焊”，只有在結(jié)點密度適當(dāng)以

29、及材料厚薄適度的條件下最大的拉伸強度才可以獲得。 圖13圖14 圖15 圖16 圖17 圖186、結(jié)論超聲波點焊焊接3003鋁和304不銹鋼合金實驗在不同的夾緊力（例如30、40、50和60psi）以及焊接能量條件下完成。從質(zhì)量以及數(shù)量方面對焊點特征進(jìn)行了分析，從而利用焊點的不同特征對超聲波焊接的機理有了一個深入的了解，并且可以得出以下結(jié)論：（1）、在吸附力30psi條件下，結(jié)點強度在焊接能量低于150焦耳時，呈現(xiàn)波動趨勢，之后隨著焊接能量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，可以觀察到隨著吸附力的增加，同樣的焊接強度可以在更低焊接能量和相對更短時間內(nèi)達(dá)到。（2）、隨著焊接能量增加，焊接表面上一般的微觀結(jié)構(gòu)開始

30、消失，結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，這是因為連續(xù)超聲波能量的連續(xù)輸入導(dǎo)致溫度升高。（3）、剪切拉伸測試揭示了低焊接能量（75和100焦耳）產(chǎn)生的焊點拉伸負(fù)載很小，這是因為冷加工的微觀結(jié)構(gòu)被劃定為“焊接不足”，在焊接能量為125和150焦耳條件下產(chǎn)生的焊點具有最大拉伸負(fù)載，并且被評定為“好焊”，高焊接能量（175和200焦耳）條件下產(chǎn)生的焊點具有低強度，這是因為焊接表面再結(jié)晶導(dǎo)致的軟化與變薄，并且這種焊點也被劃分為“過度焊接”。（4）、焊接能量為75和100焦耳條件下的樣品的硬度值比普通樣品的要高，這是因為焊接表面大規(guī)模的冷加工。低焊接能量時，超聲波發(fā)生器探頭下的焊接區(qū)域的硬度值高于溝槽地區(qū)。對于“好

31、焊”，其最大的拉伸強度是在合理的結(jié)點密度以及材料變薄條件下獲得的。致謝實驗工作的資金由工程IRSIP 22 Ps10所屬的巴基斯坦教育委員會提供。在此衷心感謝美國俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系焊接工程項目的S.S. Babu教授團(tuán)隊。參考文獻(xiàn)1 Gencsoy HT, Admas JA, Shigeo Shin. On some fundamental problems inultrasonic welding of dissimilar metals. Weld J 1967;4:145s53s.2 Neppiras EA. Ultrasonic welding of metals. Ult

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