正交試驗法優(yōu)化銅鋁超聲波焊接工藝研究

熊志林，張義福，陳朵云，張云

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，長沙 410208；2.九江學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西九江 332005）

銅、鋁金屬因其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐蝕等性能被廣泛應(yīng)用于鋰電池極耳的制作，但因銅、鋁金屬的熱物理性能差異較大，加上材料厚度薄等因素造成焊接難度大[1-2]。

激光焊接作為一種高能量、高密度的焊接方法，在異質(zhì)銅鋁金屬的焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但作為一種熔焊方法，極易在異質(zhì)金屬界面生成大量的IMCs 從而惡化接頭強度，同時激光焊接設(shè)備昂貴，一次性投入成本較大，焊接時對工件的表面處理狀態(tài)及裝夾都有較高的要求[3-5]。而超聲波焊接是一種高效、低能耗的固相焊接，由于設(shè)備相對便宜，操作簡單，在同種及異種金屬的焊接領(lǐng)域得到了廣泛研究及應(yīng)用[6-8]。為解決銅鋁薄板異質(zhì)金屬熔焊易生成IMCs 惡性相的難題，提出采用超聲波焊接金屬固相連接技術(shù)，該技術(shù)可有效解決金屬冶金不相容性，馬成勇等[9]通過設(shè)計單因素試驗，對銅鋁異質(zhì)金屬進行了超聲波焊接工藝優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)隨著焊接能量的提升，未連接區(qū)域逐漸變少，接頭強度逐漸增大。張銥洪等[10]對銅鋁異質(zhì)金屬進行了超聲波焊接分析，發(fā)現(xiàn)焊接過程中工件溫度未達到母材熔點，焊接接頭形成的機制主要是界面摩擦產(chǎn)熱及劇烈塑性變形導(dǎo)致。同時，有相關(guān)文獻表明采用超聲波焊接會形成IMCs 相，谷曉燕等[11]研究了不同焊接能量對Cu/Al 超聲波焊接接頭組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)Cu/Al界面生成了少量的Cu9Al4、CuAl2等IMCs 相，可有效的促進界面冶金結(jié)合。

盡管超聲波焊接相比熔焊能一定程度上解決界面易生成IMCs 問題，但超聲波焊接可調(diào)參數(shù)較多，各參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響較為復(fù)雜，以往研究基本上基于單一因素或者不超過三因素對銅鋁超聲波焊接的影響。因此，本文采用正交試驗法建立了焊接時間、焊接功率、焊接壓力和振幅四因素與焊接接頭拉伸力之間的數(shù)據(jù)關(guān)系并在Minitab 軟件中進行極差與方差分析，得到了最優(yōu)焊接參數(shù)，并確定了各參數(shù)對焊接接頭質(zhì)量的影響程度。在最優(yōu)參數(shù)下進行了焊接試驗，對接頭進行了拉伸力、界面組織和成分分析，并進一步對界面的連接機理和斷口機制進行了探討，所獲得的最優(yōu)試驗參數(shù)及各參數(shù)對接頭性能影響機制對銅鋁超聲波焊接工程應(yīng)用具有一定的工程指導(dǎo)價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用母材為100 mm×20 mm×0.3 mm 的純鋁箔與T2 銅箔。純鋁主要化學(xué)成分ω(Al)≥99.99%，T2 紫銅的主要化學(xué)成分ω(Cu) ≥99.5%。純鋁和T2 紫銅的熱物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 純鋁和T2 紫銅的熱物理性能參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗使用的超聲波金屬點焊機型號為Sonic 的MSC4000-20 型焊機，裝置如圖1 所示，主要有控制箱、發(fā)生器、換能器、焊頭、砧座等部件構(gòu)成，點焊機的工作頻率20 kHz，系統(tǒng)工作壓力0.2～0.6 MPa，焊接時間t=0～104ms，功率P=50～4 000 W，振幅0～60 μm。

圖1 超聲波焊接設(shè)備與焊極形狀圖

1.3 試驗方法

拉伸測試試驗材料采用“鋁上銅下”進行試驗，搭接尺寸為40 mm，裝配示意圖如圖2 所示。在超聲波焊接中，焊接時間、焊接功率、焊接壓力及振幅對焊接質(zhì)量的影響較大，其中焊接時間尤為顯著，根據(jù)前期的試驗分析，在焊接壓力0.3～0.5 MPa、振幅35～45 μm、焊接時間500～1 000 ms，焊接功率500～700 W 參數(shù)范圍內(nèi)，能保證焊件不出現(xiàn)“虛焊”及“過焊”現(xiàn)象。因此，本試驗以Cu/Al 超聲波焊接接頭的拉伸力為強度試驗指標，建立以焊接時間（A）、焊接功率（B）、焊接壓力（C）、振幅（D）為四因素，設(shè)定焊接時間（6 水平）、焊接功率（3 水平）、焊接壓力（3 水平）、振幅（3 水平）的混交表L18（6×46）進行試驗，如表2 所示。

圖2 拉伸測試試驗裝配圖

表2 正交試驗因素和水平參數(shù)表

焊前先用320#砂紙打磨銅、鋁工件表面至露出金屬光澤，并用丙酮擦拭干凈。采用Quanta200 型掃描電鏡、EDAX 型能譜儀及D8SOCur X 型X 射線衍射儀對焊縫接頭微觀組織、成分及斷口進行觀察分析；采用CMT4104 微機控制電子萬能試驗機對試樣進行3 次拉伸力試驗取平均值，拉伸加載速度為1 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗分析

表3 為焊接工藝參數(shù)與接頭拉伸力平均值的正交試驗設(shè)計結(jié)果表，從表3 中可知第14 號，水平組合為A5B2C3D1的試樣拉伸力最高為513.61 N，但這未必是最優(yōu)組合，同時也無法確定各因素的影響程度。

表3 L18(6×46)試驗設(shè)計與結(jié)果

本文在 Minitab 軟件中采用極差法來確定各因素組合的最優(yōu)方案。極差法的公式為

式中：i為因素；j為水平；Ki j為第i列因素，j水平對應(yīng)的拉伸力平均值；Ri為第i列因素的極差。

表4 為正交試驗極差分析結(jié)果，從表4 中數(shù)據(jù)可知各因素的極差大小排序為焊接時間RA=166.1＞焊接功率RB=41.4＞焊接壓力RC=23.0＞振幅RD=19.2，因此，焊接時間對Cu/Al 超聲波焊接接頭的拉伸力影響程度最大，振幅的影響程度最小。

表4 L18(6×46)試驗設(shè)計與結(jié)果

圖3 為試驗因素水平與拉伸力的分析趨勢圖，從圖中可以很直觀的發(fā)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)組合為A5B2C3D2，即焊接時間900 ms，焊接功率600 W，焊接壓力0.5 MPa，振幅45 μm。在Cu/Al 超聲波焊接試驗過程中，由于極差分析難以區(qū)分焊接參數(shù)與試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動，同時也不能定量分析各焊接參數(shù)對拉伸力試驗指標的影響顯著性。因此，本文在Minitab 軟件中進行了方差分析，計算結(jié)果如表5所示。

圖3 試驗因素水平與拉伸力的分析趨勢圖

表5 正交試驗方差分析結(jié)果

從表5 中可以看出因素焊接時間的顯著性概率P=0.007＜0.05＜因素焊接功率P=0.196＜因素焊接壓力P=0.563＜因素振幅P=0.686。因此，因素焊接時間對Cu/Al 超聲波焊接接頭拉伸力有顯著影響，各因素的影響程度為焊接時間＞焊接功率＞焊接壓力＞振幅，這與以上極差分析法的結(jié)果一致。

綜上所述，正交試驗分析后得到Cu/Al 超聲波焊接最優(yōu)參數(shù)組合為A5B2C3D2，即焊接時間900 ms，焊接功率600 W，焊接壓力0.5 MPa，振幅45 μm。在該最優(yōu)參數(shù)條件下也進行了拉伸力試驗驗證（取3 次測試值的平均值），拉伸力為527.49 N，高于表4中隨機試驗組合得到的最大值513.61 N。

2.2 焊接接頭微觀組織分析

圖4 是基于正交試驗所獲得最優(yōu)參數(shù)下的超聲波焊接接頭微觀組織和EDS 線掃描圖，從圖4a)中可以看到，界面結(jié)合緊密，規(guī)則平整，鋁側(cè)塑性變形程度較大，從圖中的1 和2 兩處可以看到銅側(cè)沿著鋁側(cè)有明顯的陡升曲線，說明銅更易嵌入鋁側(cè)一方，這主要是因為在超聲波焊接過程中，摩擦生熱和靜壓力是銅鋁金屬發(fā)生塑性變形的主要因素，界面處的高頻振動產(chǎn)生的平行于界面的應(yīng)力與垂直于界面上的正壓力相互作用使得接頭界面產(chǎn)生了較大的擠壓塑形變形，但銅的屈服強度遠大于鋁，這更容易使銅側(cè)擠入鋁側(cè)一方，從而形成界面的機械嵌入互鎖現(xiàn)象。圖4b）是圖4a）方框處的放大圖，從圖4b）中可以發(fā)現(xiàn)銅鋁界面發(fā)生了劇烈的塑性變形，并且銅鋁原子發(fā)生了互擴散，厚度小于3.5 μm，對界面近Cu側(cè)至Al 側(cè)依次進行EDS 點掃描，結(jié)果如表6 所示，并根據(jù)銅鋁合金相圖可知，點2、3 和點4 處可能相分別為Cu9Al4、CuAl2和Al+CuAl2。

圖4 最優(yōu)參數(shù)下接頭微觀組織及EDS 線掃描圖

表6 接頭區(qū)的EDS 結(jié)果

2.3 斷口分析

圖5 為最優(yōu)參數(shù)下的Cu/Al 超聲波焊接接頭拉伸剪切斷口形貌圖，表7 為圖5 所對應(yīng)的EDS 點掃描分析結(jié)果。由圖5a）可知，斷口由許多小韌窩和部分撕裂棱，在A 點位置空洞周圍出現(xiàn)了部分解理面，因此可認為該接頭的斷裂形式為以韌性斷裂為主的韌-脆混合斷裂，點1 處的Cu、Al 原子比接近1:12，可推測該區(qū)域組織為Al 固溶體。在圖5b）點2 和點3 處的Cu、Al 原子比分別接近1:4 和9:4，可以推測這兩點的組織分別為Al+CuAl2和Cu9Al4。在圖5c）點4 和點5 處的Cu、Al 原子比分別接近11:1 和1:2，可以推測這兩點的組織分別為Cu 固溶體和CuAl2。

圖5 最優(yōu)參數(shù)下接頭剪切斷口形貌

表7 圖5 所示EDS 結(jié)果

此外，從斷口的XRD（圖6）結(jié)果分析可知，在銅、鋁兩側(cè)的斷口都存在CuAl2和Cu9Al4的衍射峰。Braunovic 等[12]研究表明，金屬間化合物層的厚度在小于2 μm 時，才不會對接頭性能產(chǎn)生影響，而上述EDS 結(jié)果分析金屬間化合物層小于3.5 μm，且眾多文獻研究也表明金屬間化合物的脆性會對接頭力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，但會促使接頭產(chǎn)生冶金結(jié)合[11,13-16]。由以上結(jié)果分析可知，接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物層和界面的良好冶金結(jié)合產(chǎn)生的機械互鎖是接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。

圖6 最優(yōu)參數(shù)下接頭斷口X 射線衍射分析

3 結(jié)論

1）采用正交試驗法獲得了最優(yōu)參數(shù)組合為焊接時間900 ms、焊接功率600 W、焊接壓力0.5 MPa、振幅45 μm，焊接時間對接頭拉伸力的影響程度最大，其次是焊接功率和焊接壓力，最后是振幅。

2）接頭界面產(chǎn)生的IMCs 和界面良好冶金結(jié)合所產(chǎn)生的機械互鎖是接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。

3）接頭斷口處存在許多小韌窩和部分撕裂棱，斷裂形式為韌—脆混合斷裂模式。