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超聲復(fù)合焊接技術(shù)介紹

2021-12-10 17:13
功率超聲是超聲學(xué)的一個分支學(xué)科，其頻率范圍從幾千赫到幾百千赫，功率范圍從幾瓦到幾萬瓦，它主要是研究超聲能與物質(zhì)的相互作用機制。超聲波在物質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生一系列獨特的效應(yīng)，如力學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等，改變或加速改變物質(zhì)的物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)。利用此效應(yīng)可提高材料加工速率、質(zhì)量和完成常規(guī)技術(shù)所不能勝任的材料加工與處理，因此，功率超聲技術(shù)在機械、加工、表面改性、鑄造和焊接領(lǐng)域有廣泛的研究和應(yīng)用。

超聲波焊接是功率超聲應(yīng)用備受關(guān)注的領(lǐng)域之一。超聲波在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用有兩種方式：一種是將超聲能轉(zhuǎn)換為熱能，實現(xiàn)材料連接；另一種是將超聲能與焊接熱能復(fù)合，改變普通焊接能源的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)普通焊接難以達(dá)到的效果。超聲波金屬焊和超聲波塑料焊屬于前者，是焊接領(lǐng)域中最早利用超聲波進(jìn)行焊接加工的工藝方法，目前仍然廣泛應(yīng)用于電子封裝和塑料加工領(lǐng)域。在普通焊接過程中引入超聲能，形成超聲復(fù)合焊接技術(shù)，屬于后者，其中包括超聲復(fù)合電弧焊、超聲復(fù)合釬焊和超聲復(fù)合攪拌摩擦焊，是近些年來受到同行普遍關(guān)注的焊接新技術(shù)之一。

超聲復(fù)合焊接是20世紀(jì)末發(fā)展起來的，在焊接領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。已有研究證明，將超聲能通過焊接電弧或焊接件引入焊接熔池，可提高焊接效率，減少焊接氣孔缺陷，通過細(xì)化焊縫組織，提高接頭力學(xué)性能；將超聲能引入釬焊過程，可取代釬劑實現(xiàn)綠色環(huán)保型焊接技術(shù)，同時可以實現(xiàn)普通釬焊難以完成的焊接過程；將超聲能引入攪拌摩擦焊接過程中，可有效降低焊接載荷，通過再結(jié)晶細(xì)化焊縫金屬晶粒，提高接頭力學(xué)性能。目前，超聲復(fù)合焊接技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、鈦合金、不銹鋼及異種金屬的焊接，以及陶瓷、玻璃、金屬基復(fù)合材料等難焊材料的焊接。

盡管超聲復(fù)合焊接諸多有益作用與效果已得到證實，但是，到目前為止，真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用與推廣的技術(shù)仍然較少，其主要原因在于已有研究對聲學(xué)參量如何與焊接工藝參數(shù)匹配，聲能對熔池金屬的物理、冶金和力學(xué)作用的機制研究不夠深入，導(dǎo)致難以實現(xiàn)焊接工藝優(yōu)化調(diào)控，對該方法能夠達(dá)到的水平不清楚。其科學(xué)問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①超聲場對焊接過程中氣泡形成、晶體生長、動態(tài)再結(jié)晶、界面結(jié)合及潤濕以及塑性流變的影響機制的分析不深入，已有研究大多是以焊接效果來推斷超聲的作用，缺乏聲學(xué)參量與焊接效果之間內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系規(guī)律；②聲能輸入焊接區(qū)域的作用通道及衰減規(guī)律未受關(guān)注。超聲對水或水溶液的作用規(guī)律研究比較成熟。在焊接條件下，超聲在固體材料、液/固界面、液態(tài)金屬及等離子體中的傳輸、耦合、衰減等研究較少，在實際焊接中起作用的聲能是未知的，這樣就無法進(jìn)行深入、準(zhǔn)確的超聲能作用規(guī)律研究；③超聲場、焊接溫度場與應(yīng)力場力多場復(fù)合問題未得到重視。超聲復(fù)合能場焊接涉及超聲場、焊接溫度場、應(yīng)力場等多場復(fù)合作用，超聲場的聲學(xué)參數(shù)和焊接溫度場、應(yīng)力場的工藝參數(shù)之間的合理匹配與復(fù)合是該方法應(yīng)用所面臨的一個重要基礎(chǔ)問題。

在焊接中施加超聲能，其主要思想是利用聲空化效應(yīng)，提升傳統(tǒng)焊接的能力與質(zhì)量。在液固界面局部區(qū)域，聲空化效應(yīng)產(chǎn)生高溫、高壓、高射流，相當(dāng)于制造了一個特殊的物理環(huán)境。從宏觀上角度看，此效應(yīng)未對焊接溫度、焊接熔池或填充液態(tài)合金造成影響，但是，對焊縫金屬結(jié)晶過程影響很大，目前已經(jīng)實現(xiàn)焊縫金屬中最常出現(xiàn)的粗大樹枝晶可以改變?yōu)榈容S晶，如何進(jìn)一步調(diào)控凝固結(jié)晶過程使得焊縫金屬晶粒更細(xì)，甚至產(chǎn)生微晶或納晶，是該研究所面臨的挑戰(zhàn)。

無機非金屬材料連接一直是焊接領(lǐng)域的難點，其核心問題是化學(xué)上的惰性導(dǎo)致其與金屬極難鍵合，傳統(tǒng)焊接方法的解決思路是：如陶瓷與金屬的連接，通過活性元素與陶瓷產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行連接，界面往往生成脆性化合物，導(dǎo)致接頭強度低。目前的研究結(jié)果已經(jīng)證實，利用聲能活化可以開辟另外一條新思路，同時也為難以連接的玻璃等材料的連接開拓了新途徑，也是具有挑戰(zhàn)性的一個方向。另外，在焊接過程中，利用聲空化效應(yīng)所制造的局部高溫、高壓、高射流，可以在更低的溫度下進(jìn)行焊接，對于通過熱處理強化或形變強化的金屬材料(又稱熱敏合金，對焊接溫度極其敏感)，可避免力學(xué)性能的熱損失問題，亟待開展廣泛而深入的系統(tǒng)研究。