鋁銅超聲波焊接接頭性能的正交試驗分析

趙玉津，陳?瑤，羅?震，馮夢楠，齊寶鑫

?

鋁銅超聲波焊接接頭性能的正交試驗分析

趙玉津，陳?瑤，羅?震，馮夢楠，齊寶鑫

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

通過正交試驗設(shè)計研究了0.5,mm鋁(Al)銅(Cu)薄板的超聲波焊接，以焊接接頭的拉伸力為試驗指標(biāo)，以極差法和方差法為分析手段，確定了焊接參數(shù)的影響程度及最優(yōu)焊接參數(shù)，同時，對最優(yōu)焊接參數(shù)下Al/Cu焊接接頭的微觀組織及連接機(jī)理進(jìn)行了研究．結(jié)果表明：焊接能量對鋁銅焊接接頭的拉伸力影響最顯著；當(dāng)焊接能量為600,J、振幅為45,mm、焊接壓力為0.276,MPa時，鋁銅薄板實現(xiàn)了有效連接，拉伸力為1,247,N；鋁銅接頭結(jié)合面平整，并且界面處存在一定厚度的擴(kuò)散層，但不生成穩(wěn)定的金屬間化合物；鋁銅焊接接頭的連接主要依靠金屬鍵合和原子擴(kuò)散兩種方式實現(xiàn)．

Al/Cu；超聲波焊接；正交試驗；連接機(jī)理

銅由于良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性在電子和電力行業(yè)受到廣泛應(yīng)用，特別是蓄電池組件的連接，但銅價格昂貴，儲量較少．鋁及鋁合金價格便宜，密度輕，導(dǎo)電性較好．因此，以鋁代替部分銅具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益．然而，由于自身熱物理性能的差異，鋁銅異種連接一直是難題．傳統(tǒng)熔化焊在焊接過程中能量不夠集中，且易生成金屬間化合物和氣孔、夾雜等缺陷[1].固相焊，如摩擦焊、攪拌摩擦焊及磁脈沖焊等，可以實現(xiàn)鋁銅異種金屬的有效連接，但在薄板、不同厚度材料組合焊接中受到限制[2]．

超聲波焊接技術(shù)也屬于一種固相連接方法，并且更適用于蓄電池中薄板連接和多層金屬的搭接[3]．超聲波焊接是在焊頭靜壓力作用下對被焊工件施加高頻機(jī)械振動，利用工件間相對摩擦運動產(chǎn)生的升溫和塑性變形實現(xiàn)工件的連接，具有短時、低能及環(huán)保的特點．目前，許多學(xué)者研究了超聲波金屬焊接的不同連接機(jī)理：塑性變形[4]、金屬鍵合[5]、原子擴(kuò)散[6]和機(jī)械嵌合[1]．然而，超聲波金屬焊接的連接機(jī)理尚未定論．

李東[7]采用響應(yīng)曲面法對0.2,mm Al/Cu的超聲波焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出使用中等壓力、大振幅和短焊接時間組合可以實現(xiàn)鋁銅的良好連接．同時，他還檢測出在鋁銅界面處不生成金屬間化合物．然而，Yang等[8]在0.8,mm Cu/6061Al界面處觀察到CuAl2金屬間化合物層，且發(fā)現(xiàn)金屬間化合物對鋁銅焊接接頭的拉伸性能具有重要影響．這說明，在超聲波焊接中工件材料不同、厚度不同，其焊接參數(shù)和連接機(jī)理差異很大，因此，探討Al/Cu薄板超聲波焊接的最優(yōu)焊接參數(shù)和連接機(jī)理是有必要的．

本文采用正交試驗設(shè)計方法，以Al/Cu超聲波焊接接頭的最大拉伸力為試驗指標(biāo)，使用極差法和方差法分析了超聲波焊接參數(shù)對Al/Cu接頭的影響程度，且確定最優(yōu)焊接參數(shù)．在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了最優(yōu)焊接參數(shù)下Al/Cu接頭的微觀組織和界面成分．最后，淺析了超聲波焊接Al/Cu薄板的連接機(jī)理．

1?試驗裝置及試驗過程

試驗材料為0.5,mm 99.99%,高純鋁片和0.5,mm純銅片，其化學(xué)成分如表1所示．圖1是試樣尺寸及放置位置示意，試樣尺寸為100,mm×25,mm，搭接面積為25,mm×25,mm，并且鋁片在上，銅片在下．焊接前，對試樣表面進(jìn)行打磨和超聲波清洗．

試驗所用超聲波焊機(jī)是Sonic公司MSC4000-20型焊機(jī)，焊機(jī)采用橫向驅(qū)動系統(tǒng)，頻率20,kHz，最大功率4,000,W，如圖2(a)所示．焊頭形狀為鋸齒形，尺寸為8,mm×8,mm，具體形狀及尺寸如圖2(b)所示．圖2(c)是鋁銅超聲波點焊接頭表面的真實形貌．

表1?高純鋁和純銅的化學(xué)成分

Tab.1?Chemical composition of pure Al and pure Cu %

圖1?鋁銅試樣尺寸及相對位置(單位：mm)

圖2?試驗所用超聲波焊機(jī)

表2?正交試驗因素水平表

Tab.2?Factors and levels of orthogonal test

按照金相試樣制備方法，將Al/Cu焊接接頭橫截面進(jìn)行電火花線切割、SiC砂紙細(xì)磨、拋光至鏡面，使用0.5%, HF水溶液腐蝕10～20,s以備金相觀察．使用Olympus GX51型光學(xué)顯微鏡對Al/Cu接頭形貌進(jìn)行宏觀觀察，并且采用S4800型掃描電子顯微鏡、D/MAX-2500型Ｘ射線衍射儀對Al/Cu連接界面進(jìn)行成分分析．

Al/Cu接頭邊緣溫度使用FLIR公司紅外熱成像儀測量，測量前對試樣邊緣噴涂高溫漆(輻射率0.95)，待晾干后進(jìn)行試驗，紅外測溫系統(tǒng)示意如圖3所示.

圖3?紅外測溫系統(tǒng)示意

2?結(jié)果與討論

2.1?正交試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果如表3所示，可以看出，第14號試驗(A5B2C3)的拉伸力最高，為1,208.5,N，另外第7號試驗(A3B1C2)的拉伸力也較高．然而，這兩種試驗參數(shù)不一定是最優(yōu)參數(shù)，需要進(jìn)一步分析，從而確定最優(yōu)參數(shù)．

極差法適用于分析各因素對試驗指標(biāo)的影響程度，及確定最優(yōu)試驗方案，其計算式為

?(1)

然而，由于本實驗3個因素對應(yīng)水平不同，因素的極差間缺少可比性，為解決這一問題，采用方差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．本文使用Excel軟件，通過常用的式(2)～式(7)計算出方差分析結(jié)果，如表4所示[11]．

Tab.3?Test design and test results of

表4?正交試驗極差分析結(jié)果

式中：SST為總離差平方和；SS為因素的離差平方和；SSE表示誤差平方和；SSA、SSB、SSC分別表示A、B、C因素的離差平方和；DF為因素自由度；a為因素水平數(shù)；MS表示各因素對應(yīng)的均方值；值代表各因素的統(tǒng)計量值．

表5?正交試驗方差分析結(jié)果

Tab.5?Results of variance analysis of orthogonal test

2.2?Al/Cu超聲波焊接接頭的最優(yōu)參數(shù)

由于理論最優(yōu)參數(shù)不在正交試驗中，為反映全面試驗信息，需要進(jìn)一步對理論最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行驗證試驗．在其他條件相同下，對兩個試驗方案進(jìn)行驗證試驗，三次拉伸試驗的平均值如表5所示．

從表6可以看出，試驗方案A5B2C3和A5B2C2兩者焊接接頭的拉伸力相差很小，從經(jīng)濟(jì)上考慮選擇方案A5B2C2為Al/Cu超聲波焊接的最優(yōu)參數(shù)是適合的.

表6?驗證試驗方案和結(jié)果

Tab.6?Verification of test projects and test results

2.3?Al/Cu超聲波焊接接頭的微觀組織

2.3.1?微觀組織分析

根據(jù)正交試驗設(shè)計，獲得Al/Cu超聲波焊接的最優(yōu)參數(shù)為焊接能量600,J、振幅45,mm、焊接壓力0.276,MPa．圖4是最優(yōu)參數(shù)下Al/Cu超聲波焊接接頭的微觀組織．Al/Cu接頭結(jié)合良好，有效連接長度為7.52,mm，如圖4(b)所示．由圖4(c)可以看出，鋁銅接頭界面較平坦，無明顯的機(jī)械嵌合行為，同時，鋁發(fā)生較大的塑性變形，銅由于較大的屈服強(qiáng)度發(fā)生微弱的塑性變形，故銅表面平整．Wu等[12]研究了鋁銅多層超聲波焊接，在鋁銅界面處也觀察到相似的現(xiàn)象．

2.3.2?界面成分分析

為了研究Al/Cu接頭的界面反應(yīng)情況，對Al/Cu焊接接頭進(jìn)行了界面成分分析．圖5是Al/Cu接頭界面的線分析結(jié)果，由圖5(b)可知，在Al/Cu接頭界面處鋁銅原子發(fā)生了相互擴(kuò)散，擴(kuò)散層約2,mm．同時，結(jié)合圖6的XRD分析結(jié)果，可以得出Al/Cu界面未生成穩(wěn)定的金屬間化合物．

Al/Cu接頭在最優(yōu)焊接參數(shù)下結(jié)合緊密，并且存在擴(kuò)散過程，因此Al/Cu焊接接頭具有良好的拉伸性能．

圖4?最優(yōu)參數(shù)下Al/Cu界面形貌

圖5?最優(yōu)參數(shù)下Al/Cu接頭界面的線分析結(jié)果

圖6?最優(yōu)參數(shù)下Al/Cu接頭的XRD圖

2.4?Al/Cu超聲波焊接接頭的連接機(jī)理淺析

使用紅外熱成像儀對Al/Cu接頭邊緣的溫度分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示．鋁銅接頭邊緣溫度迅速升高，在焊接時間為0.810,s時，達(dá)到最大值187.7,℃．Elangovan等[13]模擬研究了0.2,mm Al/Cu超聲波焊接接頭的界面溫度，發(fā)現(xiàn)鋁銅接頭界面溫度比工件邊緣溫度高約70,℃．由于鋁銅金屬導(dǎo)熱性良好，可以推測0.5,mm Al/Cu焊接過程中，焊接接頭界面溫度低于鋁銅金屬熔點(660,℃、1,083,℃)．在最優(yōu)參數(shù)下，0.5,mm Al/Cu的超聲波焊接屬于固相連接，焊接過程中試樣不發(fā)生熔化．

圖7?最優(yōu)參數(shù)下Al/Cu接頭邊緣的溫度分布

由微觀組織分析可知，Al/Cu接頭在界面處沒有出現(xiàn)明顯的機(jī)械嵌合，即機(jī)械嵌合不是形成Al/Cu焊接接頭的主要原因．但Al/Cu接頭在界面處實現(xiàn)緊密結(jié)合．這是因為在超聲波焊接過程中，焊頭靜壓力和焊接振幅共同作用使鋁銅工件發(fā)生相對摩擦，工件界面溫度升高(200～300,℃)，鋁銅屈服強(qiáng)度降低，從而發(fā)生塑性變形，表面氧化膜被破碎露出純凈的金屬面，實現(xiàn)了金屬鍵合，從而達(dá)到有效結(jié)合．因此，金屬鍵合是Al/Cu接頭形成的主要原因．

由界面成分分析可知，Al/Cu接頭存在幾微米厚度的擴(kuò)散過渡層，但無穩(wěn)定的金屬間化合物，說明擴(kuò)散過程是Al/Cu接頭形成連接的主要原因．這是因為鋁銅金屬相互摩擦升溫，導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)急劇增加，同時，高功率超聲波焊接產(chǎn)生高應(yīng)變率變形，增大界面處位錯和空位密度，加快了異種金屬的相互擴(kuò)散．Kulemin等[14]研究了超聲波焊接鋁銅金屬的擴(kuò)散過程，發(fā)現(xiàn)鋁銅擴(kuò)散系數(shù)很大，達(dá)到1.4×103,mm2/s．

3?結(jié)?論

(1)正交試驗獲得了0.5,mm Al/Cu超聲波焊接接頭的最優(yōu)參數(shù)，焊接能量為600,J，振幅為45,mm，焊接壓力為0.276,MPa，并且焊接能量對Al/Cu接頭的拉伸力影響程度最大，達(dá)到71.7%,．

(2)在最優(yōu)參數(shù)下，Al/Cu異種金屬緊密結(jié)合，有效連接長度為7.52,mm．同時，接頭界面處平坦，具有厚度約2,mm的擴(kuò)散層，無穩(wěn)定的金屬間化合物生成．

(3) 0.5,mm Al/Cu超聲波焊接屬于固相連接，接頭形成連接的主要原因是塑性變形產(chǎn)生的金屬鍵合及鋁銅金屬的擴(kuò)散過程．

［1］ Zhao Y Y，Li D，Zhang Y S. Effect of welding energy on interface zone of Al-Cu ultrasonic welded joint[J].，2013，18(4)：354-360.

［2］ Ouyang J，Yarrapareddy E，Kovacevic R. Microstructural evolution in the friction stir welded 6061 aluminum alloy(T6-temper condition)to copper[J].，2006，172(1)：110-122.

［3］ Ziad Shakeeb Al-Sarraf. A Study of Ultrasonic Metal Welding[D]. Glasgow：University of Glasgow，2013.

［4］ Shakil M，Tariq N H，Ahmad M，et al. Effect of ultrasonic welding parameters on microstructure and mechanical properties of dissimilar joints[J].，2014，55(6)：263-273.

［5］ Ambekar S M，Hazlett T H. Additional studies on interface temperatures and bonding mechanisms of ultrasonic welds[J].，1970，50(5)：196-200.

［6］ Gunduz I E，Ando T，Shattuck E，et al. Enhanced diffusion and phase transformations during ultrasonic welding of zinc and aluminum[J].，2005，52(9)：939-943.

［7］ 李?東. 層疊式鋰電池制造中金屬極片的超聲波焊接工藝優(yōu)化方法[D]. 上海：上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2013.

Li Dong. Optimization of Ultrasonic Welding of Metal Tabs During Laser-Built Lithium Battery Manufacturing [D]. Shanghai：School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，2013(in Chinese).

［8］ Yang J W，Cao B，He X C，et al. Microstructure evolution and mechanical properties of Cu-Al joints by ultrasonic welding[J].，2014，19(6)：500-504.

［9］ 張慧敏，羅?震，馮夢楠，等. 鋁/鈦異種金屬超聲波焊接接頭的工藝優(yōu)化[C]// 第20次全國焊接學(xué)術(shù)會議論文集. 蘭州，中國，2015.

Zhang Huimin，Luo Zhen，F(xiàn)eng Mengnan et al. Process optimization of ultrasonic metal welding parameters for Al/Ti joints[C]//. Lanzhou，China，2015 (in Chinese).

［10］ Choi S，Zhang G，F(xiàn)uhlbrigge T A，et al. Vibration analysis in robotic ultrasonic welding for battery assembly[C]//2012(). Guangzhou，China，2012：1-6.

［11］ 劉文卿. 實驗設(shè)計[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Liu Wenqing.[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2005(in Chinese).

［12］ Wu X，Liu T，Cai W. Microstructure，welding mechanism，and failure of Al/Cu ultrasonic welds[J].，2015，20：321-331.

［13］ Elangovan S，Semeer S，Prakasan K. Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding：An FEA-based study[J].，2009，209(3)：1143-1150.

［14］ Kulemin A V，Kholopov Y V. The diffusion processes taking place during the ultrasonic welding of copper to aluminum[J].，1980，33(6)：11-13.

(責(zé)任編輯：田?軍)

Analysis of Orthogonal Test of Properties of Aluminum/Copper Ultrasonic Metal Welded Joints

Zhao Yujin，Chen Yao，Luo Zhen，F(xiàn)eng Mengnan，Qi Baoxin

(School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

0.5 mm aluminum (Al)/copper (Cu) thin sheets were welded by ultrasonic metal welding，and the joint properties were studied via orthogonal test. The influence of welding parameters on Al/Cu joints and the optimal welding parameters were investigated by taking the tensile load of welded joint as the test index and extreme law and variance method as the analytical means. Meanwhile，under the optimal welding parameters，the morphology and joining mechanism of Al/Cu welded joints were further discussed. The results indicate that welding energy produces the most notable influence on tensile properties of Al/Cu welded joints. When welding energy is 600 J，vibration amplitude is 45 μm and clamping force is 0.276 MPa，Al/Cu dissimilar metals achieve effective connection with the tensile load of 1 247 N. Al/Cu welded joint has a flat weld interface. At the same time，the interface generates a diffusion layer，but no stable Al/Cu intermetallic compounds are formed. The joining of Al/Cu welded joints mainly depends on the metal bonding and atomic diffusion on the interface of Al and Cu.

Al/Cu；ultrasonic metal welding；orthogonal test；joining mechanism

10.11784/tdxbz201706006

TG444

A

0493-2137(2018)07-0735-06

2017-06-02；

2017-08-14.

趙玉津（1953—），男，博士，教授.

羅?震，lz@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51405335，51575383).

the National Natural Science Foundation of China(No.,51405335 and No.,51575383).