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金屬材料的超聲波焊接

2021-10-30 18:03
鋁基金屬?gòu)?fù)合材料屬于輕合金基體材料能顯著的降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在航天航空領(lǐng)域、汽車工業(yè)與電子制造領(lǐng)域它們都扮演著不可或缺的角色，符合近年來(lái)我國(guó)政府提倡的“綠色制造”的戰(zhàn)略綱領(lǐng)。但純鋁材料的強(qiáng)度低不能滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)件的高要求和其他方面的使用需求，因此為了提高其性能可添加多種合金元素產(chǎn)生能夠滿足需求的鋁合金。以2024Al為代表的2000系航空鋁合金是一種具有較好加工性能的超高強(qiáng)度變形鋁合金，它有較高塑性、硬度、韌性和抗疲勞性，并且價(jià)格低廉、生產(chǎn)質(zhì)量高，是航天航空、電子電氣、交通建材等行業(yè)理想的結(jié)構(gòu)材料。但焊接鋁合金用于制作工業(yè)還存在一些難題:
 
1.氧化膜阻礙了高質(zhì)量焊接進(jìn)行。在潮濕的空氣中鋁極易在表面生成一層致密的三氧化鋁薄膜以防止內(nèi)部金屬被腐蝕，而氧化膜不僅難去除還阻礙了內(nèi)部純凈金屬的擴(kuò)散連接，并且氧化膜易吸收水分會(huì)形成夾渣、未熔合等多種缺陷致使焊接質(zhì)量下降。
 
2.焊接時(shí)容易形缺陷。熔融液態(tài)鋁會(huì)溶解大量的氫氣但固態(tài)不易溶解氣體，因而當(dāng)冷卻凝固時(shí)氫氣易形成氣孔等缺陷。此外鋁有較高的凝固收縮率和熱膨脹系數(shù)（在室溫25℃時(shí)為2.36×10-5mm℃-1），因而容易在焊接過(guò)程中產(chǎn)生較大的塑性變形內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊縫易形成裂紋等缺陷。
 
3.焊接時(shí)耗費(fèi)能量更多。鋁導(dǎo)熱性能良好，其導(dǎo)熱系數(shù)為237Wm-1K-1，造成在焊接時(shí)需要為其提供更多的熱量。
 
4.高溫影響焊縫質(zhì)量。高溫不僅會(huì)影響鋁的強(qiáng)度還會(huì)使得鋁合金中一些低沸點(diǎn)元素蒸發(fā)改變，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度下降。
 
而超聲波焊接由于自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)不僅能破除鋁合金表面致密的氧化膜還能促進(jìn)物質(zhì)的擴(kuò)散，這種低溫、無(wú)液相產(chǎn)生的焊接避免了材料在熔化導(dǎo)致的許多問(wèn)題，也避免了接頭組織在冷卻凝固過(guò)程中引發(fā)的裂紋、氣孔等缺陷，不會(huì)發(fā)生熔化再結(jié)晶過(guò)程中增強(qiáng)相偏析或形成脆性中間相的現(xiàn)象，解決了異種材料因熔點(diǎn)、浸潤(rùn)性、界面能等差異大而難焊接等問(wèn)題。
 
超聲波焊接金屬材料可用于多種行業(yè)，在電氣、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中經(jīng)常將其用于精密的微電路或微電子元器件（例如半導(dǎo)體、晶體管、二極管、集成電路片與基片）的連接，因?yàn)槌暡ê附舆^(guò)程可集成到自動(dòng)化生產(chǎn)中不僅不會(huì)引起組件的熱變形而且焊接效率高、質(zhì)量高。對(duì)于現(xiàn)在研究熱點(diǎn)的鋰電池或動(dòng)力電池領(lǐng)域，超聲波焊接也逐漸引起人們注意，特斯拉公司在電池模組中就是應(yīng)用的超聲波焊接工藝將電芯與整個(gè)模組連接。在航空、航天領(lǐng)域中飛行器、衛(wèi)星的組件也都是通過(guò)超聲波工藝實(shí)現(xiàn)連接。