超聲波金屬焊接質量的實驗研究
1。 #科技# #科普大作戰# #漲知識# #生活百科# #科普一下# #每日一問# #科學實驗#
超聲波金屬焊接機是一種用於連線小零件的高效焊接裝置，例如導線焊接、多層拉片焊接、線束焊接等。，並且還可以連線一些較厚的金屬板，這取決於焊接條件和引數的設定。本文采用不同引數進行了一系列實驗，並在特定焊接裝置和焊頭條件下進行了撕裂張力試驗。透過控制振幅和減少外觀問題來提高焊接強度和質量。光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡用於研究焊縫質量。
熔焊： 加熱要連線的工件，使其區域性熔化，形成熔池。熔池冷卻並凝固，然後加入。如有必要，可以新增它來輔助各種金屬和合金的焊接過程，不要加壓。焊縫接觸面為液體和液體。
壓力焊接： 在加熱或不加熱的情況下，對組合焊接件施加一定的壓力，導致塑性變形或熔化，並透過再結晶和擴散，一種焊接方法，使兩個獨立表面的原子達到金屬鍵的形成並結合。焊接焊接接觸面堅固耐用。
2。超聲波金屬焊接
超聲波金屬焊接是一種壓力焊接工藝。在焊接過程中，多層材料在縱向壓力下緊密配合，同時施加橫向高頻剪下振動。在振動過程中，材料被壓縮和變形，剪下運動去除表面突起，去除表面氧化物和汙染物，並增加焊接部件之間的接觸面積。
超聲波金屬焊接最早出現在20世紀50年代早期的19年代，當時它被用於晶粒細化和固化，但目前，該技術可以應用於各種軟硬金屬連線。與其他焊接裝置相比，超聲波焊接裝置體積小、重量輕、通用性強。此外，焊接工藝不需要任何輔助材料，生產效率高，環境友好。因此，超聲波焊接已成為許多工業領域和科研應用中公認並廣泛使用的高效連線技術。
超聲波焊接系統由電源、感測器、振幅調製器、焊頭、底座和框架組成。
在焊接研究中，為了改進焊縫的焊接接縫和質量，進行了兩項研究：
（1） 焊頭設計分析和焊接噴嘴振幅測試；
（2） 焊接引數的實驗研究。透過對焊接部件進行撕裂試驗來評估焊接強度。透過對變形表面的微觀觀察來評估焊接質量。考慮到現場人員的實用性，這裡省略了焊接頭設計分析和焊接噴嘴振幅測試部分 （該部分的分析和檢驗報告由裝置/模具供應商提供），突出了不同焊接引數下的實驗研究結果，為現場工程師的引數調整提供指導。
3。焊接實驗
3。1實驗設定
使用20。8 kW個超聲波電箱20個。8kHz，焊接頭和感測器元件透過安裝支架連線到機器支架，如圖2所示。機架上方安裝了一個2kN壓力感測器來測量焊接壓力。焊接噴嘴和焊頭底座上有滾花，見圖3。用鋁和銅焊接樣品，50 × 10mm，厚度0。1-0。5毫米mm。兩個金屬條的重疊面積為10 × 10mm，即超聲波焊接面積，焊點直徑為6毫米mm，如圖4所示。每組引數焊接5件進行撕裂試驗，記錄平均值和標準偏差。材料組合有： 鋁、銅、鋁、銅。
2實驗裝置
圖3焊頭上的鼻頭和底座滾花
圖4金屬棒尺寸和焊點外觀
3。2分段振幅
大多數生產現場使用恆定振幅，即在整個焊接過程中振幅保持不變。還有另一種選擇，分段振幅。兩級振幅切換可以由時間、位置、功率或能量觸發。有一種做法是在焊接開始時使用更高的振幅，促使焊接介面以更高的速度 “擦洗” 表面，並在緊密接觸的表面上建立固態焊接。然後減小振幅以減少摩擦熱產生和軟化程度，避免對金屬板的過度剪下損壞。在本實驗中，使用分段振幅進行了一系列實驗，並研究了振幅與焊接強度和質量之間的關係。
3。3實驗結果-相同材料的焊接強度
對於不同的振幅和焊接壓力，鋁和銅的焊接強度如圖5-6所示。鋁和銅材料厚度0。1毫米。在每組引數下測試5片撕裂張力，圖中每個誤差條代表5片撕裂張力的標準偏差。結果表明：
焊接壓力增加，焊接強度增加。在這裡你需要解釋說，過度的壓力會導致過度摩擦，抑制接觸面的相對運動，並導致焊接強度降低。振幅越大，焊接強度越大。然而，40um振幅下焊接強度的波動性 （標準偏差） 也變得更大，產品外觀越差。使用分段振幅40-17um不僅可以減少焊接強度分佈的標準偏差 （減少波動性），還可以顯示出更好的焊接強度。在相同的焊接強度下，鋁焊接強度優於銅。
圖5鋁焊接壓力和焊接強度曲線
6銅銅焊接壓力和焊接強度曲線
3。4實驗結果-不同材料的焊接強度
當焊接不同的材料時，將哪種材料放在上面接觸焊頭是非常重要的。鋁板和銅板的結合比銅板上鋁板的結合具有明顯更好的焊接強度。當焊接壓力大於500-600N時，在恆定振幅或分段振幅下的焊接強度顯著降低，因為材料容易與焊頭結合，導致強度下降。在此過程中，可以觀察到材料硬度和表面粗糙度顯著影響焊接強度。
3。5實驗結果-光學顯微鏡觀察
用光學顯微鏡觀察撕裂張力試驗後焊接接頭的斷裂情況。圖9顯示了從焊接組合的撕裂鋁薄側和銅薄側鋁銅看到的焊接區域。這些微觀結果表明：
在焊接壓力為500N和振幅為17um的條件下，在焊接區觀察到金屬塑性流動的微觀特徵。焊縫斷裂表面證明鋁沉積在銅側，而鋁側幾乎沒有銅。鋁和銅的硬度和表面粗糙度差異強烈影響超聲波焊接過程中的金屬變形。較硬的金屬銅變形較小，不會增加焊接面積以提高焊接質量。
3。6實驗結果-掃描電子顯微鏡
圖10是使用掃描電子顯微鏡放大的結果，顯示了AL-Cu焊接組合的AL和Cu側的橫截面結果。焊接引數： 焊接壓力500N，振幅17um，焊接時間1s。X射線衍射顯示銅側截面的化學成分為79。48%（wt %），證實了鋁在銅側的高沉積。鋁側截面銅的化學成分僅為11。29%（wt %）。
這些結果表明，焊接質量與超聲波振動和焊接壓力下金屬的塑性變形以及金屬硬度有關。它與表面條件如粗糙度、氧化物和汙染物有關。鋁比銅軟，因此在超聲波焊接中更容易發生塑性變形。較硬金屬的較高表面粗糙度也顯著降低了焊接強度，導致焊接質量下降。此外，必須去除金屬表面氧化層，為高質量的焊縫創造一個乾淨、緊密的表面。
4結論
透過實驗，我們發現振幅、焊接壓力和材料佈置對焊接強度有顯著影響。AL-AL焊接強度優於Cu-Cu組合。在鋁焊接和銅焊接條件下，焊接強度隨著焊接壓力的增加而增加到臨界值。當焊接壓力過高時，焊接所需的橫向運動受到限制，從而降低焊接強度。
當考慮不同的金屬超聲波焊接時，鋁層被放置在上面，與焊頭直接接觸，將獲得稍微更強的焊接效果。一般來說，當焊接壓力大於500N時，焊接強度會降低。分段振幅可以改善焊接效果，略微增加焊接強度，降低張力的標準偏差。然而，增加的焊接壓力也會導致粘合和外觀問題。
微觀研究表明，拉伸試驗後鋁和銅的斷裂形態說明了鋁和銅的差異。與硬質金屬Cu相比，AL焊縫斷裂表現出更明顯的軟金屬變形特性。變形與材料硬度、氧化層硬度和表面粗糙度有關。透過掃描電子顯微鏡 （SEM） 放大，確定了破碎口表面金屬沉積物的化學成分。斷裂的較低銅含量 （11。29 wt %） 表明硬度、表面粗糙度和氧化層顯著影響結合強度，降低焊接質量。透過最佳化特定金屬組合的焊接工藝引數，可以獲得更高的焊接質量。
