铜/钛热辅助超声波焊接接头组织和性能分析

为实现铜与钛异种金属的可靠连接，探索了一种热辅助超声波焊接的工艺方法。以MCGS触摸屏作为上位机，陶瓷加热片作为辅助加热热源，搭建了热辅助超声波焊接成套装置。通过MCGS软件开发的人机界面及控制程序，实现了热辅助超声波焊接工艺过程的实时控制。通过对不同加热温度下Cu/Ti超声波焊接接头力学性能和微观组织的分析，建立了热辅助超声焊接过程界面反应模型，以此阐释了Cu/Ti热辅助超声波焊接接头的形成机理。试验结果表明，辅助加热不仅提高了焊接区峰值温度，还促进了界面元素的相互扩散，使反应区的宽度和有效连接面积显著增加，机械嵌合作用明显增强，是Cu/Ti接头抗剪切强度显著提高的主要原因。     

基于ABAQUS的多层铜铝超声金属焊接过程

针对叠片工艺软包电池极耳采用多层同种金属与单层异种金属超声焊接的过程，使用Abaqus/Explicit软件结合实际焊头振动数据，并考虑多层界面的摩擦系数变化规律，建立了二维多层铜铝超声波焊接有限元分析模型，分析超声波多层铜铝金属焊接行为。并与红外摄像仪测量的焊接温度和焊接界面截面金相对比。结果表明多层铜铝进行超声波焊接时，摩擦热与塑性变形热为超声波焊接过程中主要的热量来源，焊接塑性形变在达到一定状态会剧烈增加，多层铜铝异种金属焊接时，塑性形变主要发生与铜片接触的铝片，模拟结果与试验结果吻合较好，对叠片工艺软包电池的极耳焊接试验具有一定的指导意义。     

[例46]异种金属电子束焊接技术在发动机制造中的应用

正单一金属结构通常很难满足工业生产的需求,而异种材料的焊接结构能够兼有两种材料的优点,能最大限度的降低成本和提升结构性能。在航空航天发动机制造中常采用异种金属的组合结构来保证其冷却高强与轻量化的综合性能。异种金属焊接一直是焊接领域的热点与难点之一。异种金属间的热物理性能与化学结晶性能的差异导致其焊接冶金相容性差,易在接头处萌生裂纹,弱化了焊接接头性能。基于异种金属的冶金特点和焊接结构特征,通常采用钎焊及固相连接的方法来解决异种金属的连接问题。目前,异种金属的熔焊连接     

超声波焊接能量对铜/铝导线接头结合性能的影响

以BVR2.5铜线和BLV6铝线为研究对象,采用超声波焊接连接铜/铝异种金属导线,利用SEM,EDS,XRD和万能拉伸试验机分析超声波焊接能量对铜/铝导线焊接接头结合性能的影响.结果表明,超声波焊接可以实现铜/铝异种金属导线的有效连接.随着焊接能量增加,铜/铝界面原子相互扩散距离增加,但未形成中间相,接头抗拉力先升高后降低.当焊接能量较低时,接头抗拉强度取决于铜/铝导线冶金结合面积;当焊接能量超过300 J时,接头抗拉强度取决于铝侧有效承载面积;当焊接能量为300 J时,接头获得峰值拉伸载荷(409.8 N±8.9 N),拉伸时在铝侧断裂,断口为韧性断裂,接头性能较好.     

铝/铜异质金属超声波焊接工艺研究

运用超声波金属焊接技术实现了铝/铜异种金属的连接,利用单因素试验研究焊接工艺参数(焊接压力、焊接振幅、焊接能量)对接头质量的影响,确定了最佳工艺参数组合为压力0.276 MPa,振幅45μm,能量700 J;研究了焊接能量对铝-铜焊接接头硬度、温度、界面形貌及力学性能的影响。研究发现,焊接过程中,铝发生了剧烈的塑性变形,并伴随着加工硬化现象和材料软化。随着能量的提升,未连接区域减少,接头质量上升,但当焊接能量过大时,由于材料软化作用的影响,接头质量下降。     

铝/铜异种金属电阻热辅助超声波缝焊工艺特性

1060纯铝箔作为中间层,通过电阻热辅助超声波缝焊的方式实现1 mm厚度6061铝合金和T2紫铜异种金属焊接,分析了焊接过程中电阻热对铝/铜焊接接头焊缝成形、界面形貌、温度场以及力学性能的影响. 结果表明,采用单独超声波缝焊焊接铝/铜异种金属时,因产生的焊接能量较小,接头连接界面处仅局部区域位置形成连接,接头拉剪强度为45 MPa. 但在电阻热辅助超声波缝焊过程中,电阻热的加入能够有效预热工件,令待焊材料表面发生软化,在高频振动作用下,接头连接界面处形成有效连接. 同时,引入电阻热提高了铝/铜界面处温度,由单独超声波缝焊的140 ℃增加至190 ℃,界面处原子扩散距离增加,获得焊接接头的拉剪强度增加至75 MPa,相对前者接头拉剪强度提高67%.     

压焊

爆炸焊工艺是实现异种材料冶金结合的先进连接工艺，间隙是影响焊接质量的重要工艺参数。基于ANAYS／LS-DYNA平台建立了钢铜铜三层圆管爆炸焊接的三维有限元模型，研究了不同间隙下的成形过程和焊接质量。     

压焊

爆炸焊工艺是实现异种材料冶金结合的先进连接工艺，间隙是影响焊接质量的重要工艺参数。基于ANAYS／LS-DYNA平台建立了钢铜铜三层圆管爆炸焊接的三维有限元模型，研究了不同间隙下的成形过程和焊接质量。     

异种材料真空电子束焊接研究现状分析

真空电子束焊接具有高能量密度、束斑直径和位置精确可控,焊接残余应力小,焊缝无污染等优点,因此,电子束焊接在异种材料连接领域的应用成为近年来研究的热点,并取得了大量的研究成果,部分已经在工业生产中得到了应用.由于电子束焊接属于熔化焊接,因此在异种金属连接中也存在冶金过程带来的困难.文中对异种材料的真空电子束焊接的研究现状进行了分析,对不同类型的异种材料接头真空电子束焊接中存在的问题和解决方法进行了总结,并提出了今后异种材料真空电子束焊接的研究重点.     

CMT冷金属过渡焊接技术动态研究

许多材料无法承受焊接过程中持续不断的热量输入。为了避免熔滴穿透,实现无飞溅熔滴过渡和良好的冶金连接,就必须减小热输入。CMT冷金属过渡技术第一次将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调,实现了焊接机器人在MIG/MAG焊接中的无飞溅焊接、0.3 mm超薄板的钎焊以及异种金属的焊接等。文中介绍了CMT冷金属过渡技术以及变极性、高效双丝CMT的工艺过程。综述了国内外学者对CMT工艺研究及其在超薄板、钢/铝焊接的应用成果。     

钛/铜异种金属焊接方法研究现状

钛/铜焊接结构因其具有良好的力学性能和物理性能,在航天航空、电解加工和船舶海洋等行业中的应用越来越广泛。钛/铜异种金属焊接方法主要有固相扩散焊、钎焊、超声波焊、爆炸焊和摩擦焊、高能束电子束焊和激光焊、电弧焊冷金属过渡焊、等离子弧焊和钨极氩弧焊。文中论述了以上不同焊接方法连接钛/铜异种金属的国内外研究现状,并综述了钛/铜异种金属焊接的微观连接机理和部分合金元素对连接界面的影响。     

Al/Ni异种金属超声波点动焊接工艺及界面组织分析

对1060铝合金和N4镍合金异种金属进行了超声波点动焊接,优化了焊接工艺,分析了接头界面组织,焊接接头组织微观形貌和力学性能.结果表明,超声波焊接能够实现1060铝合金和N4镍合金异种金属的有效连接,能够得到韧性和强度都很高的焊接接头;确定了铝镍异种金属超声波焊接的焊接工艺参数为焊接压力25.2~36.0 MPa,焊接时间75~85 ms;当焊接压力为32.4 MPa,焊接时间为85 ms时,抗剪强度超过铝侧母材.焊接接头界面的XRD和EDS分析结果表明,接头界面存在由Al,Ni两种元素互扩散而形成的2 μm厚的反应扩散层.     

钛/铝异种金属扩散连接及其界面调控的研究进展

钛/铝复合构件具有轻量化、高强度、耐腐蚀等优势,使其广泛应用于新能源汽车、航空航天等领域。但是钛/铝之间的物理性能差异较大,且冶金反应容易生成如TiAl3,TiAl等脆性的金属间化合物,导致钛/铝异种金属接头性能下降。为了解决上述问题,基于扩散连接技术在异种金属连接方面变形小、无污染、冶金结合致密等优势,文中详细讨论了扩散连接技术在钛/铝异种金属连接上的应用,以及连接温度、保温时间、压力等焊接工艺参数、焊后热处理工艺、中间层对接头的影响。重点总结了工艺调控和添加中间层调控钛/铝接头的组织和性能。结果表明,工艺调控和添加中间层调控相结合可以最大限度的调控脆性金属间化合物的类型和降低金属间化合物的厚度。在此基础上,讨论了钛/铝异种金属扩散连接的发展趋势。     

铝合金与钢的点连接技术

介绍了铝合金与钢的点连接技术的研究现状,主要分析了工艺垫片法电阻点焊、搅拌摩擦点焊和超声波点焊技术等点连接工艺方法,其中工艺垫片法电阻点焊能在相对低的焊接电流务件下获得具有高强度的点焊接头;搅拌摩擦点焊和超声波点焊属于固相连接,在异种金属焊接领域优势明显.可根据技术条件和具体要求选择点连接方法.     

铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接实验研究

推导了铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接接头区域理论温度公式，并利用人工热电偶法测得焊接区域温度，分析了实测温度的偏差产生的原因，结合焊接接头的扫描电镜（SEM）图片进行对比分析，研究了铜片-铜管超声波焊接接头的形成机理。结果表明：超声波焊接是基于接头区域微齿顶端处高温、纯净金属发生大塑性变形后表面充分贴合两个因素基础上的金属键合和机械嵌合而形成接头的物理冶金过程。     

6061铝合金超声波点焊温度场数值模拟及试验

针对超声波焊接过程中温度演化过程监测存在的困难,考虑焊接过程中塑性变形产热和高频摩擦产热,建立了三维超声波焊接热-结构耦合Ansys有限元模型,模拟了6061铝合金超声波金属焊接过程,计算了不同焊接参数下的温度场,用细丝热电偶测温试验验证了焊接温度.结果表明,焊接过程中焊接区域最高温度模拟值与试验值误差在5%以内,表明了模型的准确性;温度最高处位于焊接区域中心位置,高温区随焊接时间的增大而增大;超声波金属焊接过程中,温度场主要受焊接压力及焊接时间的影响.     

镁-铜异种金属连接技术研究进展

对比镁和铜的物理化学性质,结合镁-铜二元合金相图,分析镁-铜异种金属焊接存在的问题,介绍了镁-铜异种金属连接技术的研究现状。镁-铜搅拌摩擦焊是通过塑性流动和原子扩散实现连接,不易形成金属间化合物;扩散焊和钎焊通过控制焊接工艺参数控制金属间化合物的组织结构和厚度;镁-铜TIG焊通过中间金属来控制金属间化合物的生成和生长;冷金属过渡焊接技术可以通过控制热输入来控制铜的熔化和扩散,进而控制金属间化合物的生成和生长,实现镁-铜的熔钎焊。严格控制焊接工艺参数,加入中间层,采用低热输入等方法可以实现镁-铜的优质连接。     

先进材料与异种材料电子束焊接研究进展

电子束焊接是近年来飞速进步、蓬勃发展的一种先进连接技术,随着技术工艺的日益成熟,其在工业领域的竞争力也日渐增强,已为工业部门所广泛接受.文中综述了电子束焊接在高温钛合金、高温合金、难熔金属、金属间化合物等先进材料与各类互相固溶的、难以互溶的异种材料连接方面的研究现状,对国内外在焊接缺陷控制、焊接工艺优化、焊接机理研究等方面取得的典型研究成果进行了简要介绍,并从中概括总结了先进材料与异种材料电子束焊接的具体问题,归纳阐述了先进材料与异种材料电子束焊接中所采用的能量控制与冶金调控等特色技术方法.     

铝/钢异种金属旋转摩擦焊接研究现状

根据铝/钢异种金属焊接冶金特点及旋转摩擦焊接工艺特点,分析认为旋转摩擦焊最适合铝/钢异种金属轴对称件焊接的工艺。分别介绍了连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊接工艺对铝/钢异种金属焊接接头的组织和性能的影响。总结了铝/钢异种金属摩擦焊接技术研发中亟待解决的主要科学问题,铝/钢旋转摩擦焊过程中摩擦界面及其附近剧烈的塑性流变对IMCs生成的影响规律和机制需要进一步的研究;需要开发相应的工艺措施促进铝/钢接头界面上形成以Fe-Al IMCs为标志的冶金结合,并使IMCs层厚度均匀化。最终指明,研究揭示铝/钢摩擦界面IMCs生成机理、相的组成、形态、分布等冶金行为,对铝/钢旋转摩擦焊接头的组织性能调控具有重要意义,也是铝/钢异种金属焊接结构性能保证的理论基础。     

AA6061铝合金超声波金属焊接计算分析模型

实现AA6061铝合金超声波金属焊接有效连接的关键机制是表面效应和体积效应。表面效应是焊接接头界面的摩擦;而体积效应存在于整个焊接过程中,影响了金属工件成形应力和形变。基于超声波焊接的关键机制建立了AA6061铝合金的材料模型和界面接触摩擦模型,依托ABAQUS有限元软件进行了铝合金超声波焊接的热-机耦合数值模拟分析。结果表明:与超声焊极相接触的铝合金界面产生最高温度和剧烈塑性变形,但低于母材熔点温度值。当焊极压力175 MPa,振幅8.4μm,加载时间60 ms时,界面最高温升至357.5℃,随着超声焊极压力持续增加铝合金表面发生粘焊。