超聲波焊接能量對鍍錫銅線束-端子成型機理影響研究

【摘" 要】超聲波焊接作為一種固態(tài)焊接技術(shù)，在新能源汽車的制造中廣泛應用。本實驗圍繞50mm2鍍錫銅線超聲波焊接工藝進行探索，系統(tǒng)地研究超聲波焊接能量參數(shù)對焊接接頭成型機理的影響。針對在不同焊接能量（9000～1000J）的鍍錫銅線束-端子接頭，研究焊接界面的微觀組織演變情況。通過實驗，驗證了焊接過程中Sn在Cu中的擴散系數(shù)和界面峰值溫度，同時研究了接頭成型品質(zhì)與焊接能量的關系。研究結(jié)果表明：在焊接界面附近，Cu和Sn生成的IMCs發(fā)生了晶粒細化現(xiàn)象，其主要成分是Cu3Sn和Cu6Sn5。不同能量下Sn元素的分布表明，焊接過程中存在強烈的原子擴散。當焊接能量為10000J時，焊接試樣的搭接剪切載荷峰值達到2000N，相關斷口呈現(xiàn)出延性和脆性相結(jié)合的特征。

【關鍵詞】超聲波焊接；鍍錫銅線；成型機理；微觀分析

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0119-05

Study on the Effect of Welding Energy on the Molding Mechanism of

Ultrasonically Welded Tinned Copper wire Harnesses and Yerminals

【Abstract】As a solid-state welding technology，ultrasonic welding is widely used in the manufacturing of new energy vehicles. This experiment focuses on the ultrasonic welding process of 50mm2 tinned copper wire，and systematically studies the influence of ultrasonic welding energy parameters on the forming mechanism of welded joints. The microstructure evolution of solder interface between tinned copper wire bundle and terminal joints with different welding energies（9000～1000J）was studied. The diffusion coefficient and interface peak temperature of Sn in Cu during welding were verified by experiments，and the relationship between forming quality and welding energy was studied. The results show that the grain refinement of the IMCs produced by Cu and Sn occurs near the welding interface，and the main components are Cu3Sn and Cu6Sn5. The distribution of Sn elements at different energies indicates that there is a strong atomic diffusion during welding. When the welding energy is 10000J，the peak value of the bonding shear load reaches 2000N，and the correlation fracture shows the characteristics of ductility and brittleness.

【Key words】ultrasonic welding；tinned copper wire；forming mechanism；microanalysis

0" 引言

隨著社會與科技的飛速發(fā)展，綠色環(huán)保已成為時代發(fā)展的主流方向。汽車行業(yè)在快速發(fā)展的同時，也給能源和環(huán)境帶來了一定負擔。因此，通過汽車輕量化來降低能源消耗，已成為汽車行業(yè)研究的熱點。持續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、更新輕量化材料以及采用先進可靠的制造技術(shù)，都有助于推動汽車輕量化進程[1]。像激光焊接、激光釬焊和摩擦焊等焊接技術(shù)，已廣泛應用于同種或異種合金的連接，為汽車輕量化提供了良好解決方案[2]。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代超聲技術(shù)在許多不同制造領域中被廣泛使用。其中超聲波焊接技術(shù)以其節(jié)能環(huán)保、低電阻等優(yōu)勢，在線束-端子連接領域逐步代替了其他的傳統(tǒng)焊接技術(shù)[3]。超聲波焊接利用高頻振動使兩個被焊體表面相互摩擦進而形成連接[4]。超聲波焊接方式能在極短時間（幾分之一秒）內(nèi)產(chǎn)生高達103/s-1的應變速率，因此，許多研究者在異種金屬超聲波焊接中發(fā)現(xiàn)了相互擴散現(xiàn)象。例如，趙玉津等[5]使用正交實驗法，研究了0.5mm鋁銅薄板的超聲波焊接，明確了焊接參數(shù)的影響程度及最優(yōu)焊接參數(shù)，并通過EDS、XRD等技術(shù)，確定了鋁銅焊接接頭連接原子擴散的發(fā)生。谷曉燕[6]等對Mg/Ti異種金屬進行超聲波焊接，發(fā)現(xiàn)隨著焊接能量的增大，界面峰值溫度升高，原子擴散層厚度增大，但在接頭界面未發(fā)現(xiàn)明顯的金屬間化合物。王艷等[7]則在鎂/鋁異種金屬超聲焊接接頭的焊接界面，發(fā)現(xiàn)了金屬間脆性化合物Mg17Al12和Mg2Al3相，其厚度約為17μm。而線束連接的超聲波焊接領域，銅線與鋁線的連接一直是眾多學者追求的重點。成先明等[8]采用超聲波焊接連接銅/鋁異種金屬導線，分析了超聲波焊接能量對銅/鋁導線焊接接頭結(jié)合性能的影響。

近年來，鍍錫銅線因其優(yōu)良的導電性和耐氧化性，在高端新能源汽車中得到廣泛應用。在異種板材的超聲焊接領域，有學者為提升接頭性能，對鍍錫接頭展開研究。如崔慶波[9]等在含鍍錫層的鋁鎂超聲波焊接結(jié)合區(qū)發(fā)現(xiàn)，鋁錫反應層是固溶體層，鎂錫反應層主要是過飽和的固溶體基體及彌散析出的中間相Mg2Sn。鍍錫層的加入有效阻止了鎂鋁的相互擴散，抑制了硬脆的Mg-Al系金屬間化合物的生成，提高了鎂鋁超聲波焊接接頭強度。

然而，在線束-端子的超聲焊接領域，由于錫層熔點較低，在超聲波焊接鍍錫銅線時，隨著焊接能量增加，局部高溫可能會使錫層熔化為液相，進而影響焊接效果。所以，在鍍錫銅線超聲波焊接過程中，精確控制焊接溫度和時間成為一個極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難點。因此，研究超聲焊接過程中Cu/Sn的固液擴散，對于深入理解接頭形成機制至關重要。如何實現(xiàn)鍍錫銅線束與端子之間的高效、可靠連接，已成為業(yè)界關注的焦點。

本文采用USW技術(shù)對鍍錫線束與T2銅板進行了焊接，焊接能量為9000～11000J。研究了焊接能量對接頭組織成型機理的影響，此外，還系統(tǒng)分析了IMCs結(jié)合對焊接接頭成型效果的作用。

1" 實驗材料與方法

1.1" 實驗材料

在本次研究中，選用的材料為50mm2鍍錫銅線和40mm（長）×25mm（寬）×3mm（厚）的T2紫銅端子。具體操作時，將鍍錫銅導線截取為250mm長若干根，并剝?nèi)ソ^緣材料，剝頭長度為20mm，如圖1所示。圖2a為HMS-D01超聲波焊接機。焊接實驗采用單一變量法，固定焊接振幅（90%）和焊接壓力（0.32MPa），探究能量對焊接效果的影響，能量梯度分別為9000J、10000J、11000J。

如圖2b所示，焊接時，將鍍錫銅線與端子放置在焊頭之下。電源電流通過超聲波發(fā)生器由50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?0kHz，經(jīng)換能器的壓電陶瓷產(chǎn)生逆壓電效應，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再經(jīng)變幅桿放大將能量從焊頭傳遞到工件，振動方向與焊件表面平行，在焊接壓力的作用下完成制樣，最終得到等超聲波焊接接頭樣品，如圖2c所示。

1.2" 實驗流程

在焊接過程中，選用K型HH-K-24-SLE熱電偶精密測溫線，將其盡可能放置于鋼線束與端子中間，同時搭配Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀，用以采集焊接過程中的界面溫度變化數(shù)值，如圖3所示。采用Lyxran電腦式伺服材料實驗機對焊接試樣開展拉伸實驗，以此對焊接接頭的抗拉強度進行實驗分析。拉伸時，下夾具夾緊線束并保持固定，上夾具夾緊端子后向上拉伸，拉伸速度設定為100mm/min。通過線切割的方式獲取與振動方向垂直的接頭截面金相試樣。隨后，使用600～2000目的砂紙對樣品進行金相打磨，再利用光學顯微鏡觀察試樣接頭的連接界面與形貌。利用SEM掃描電鏡，觀察試樣接頭的形貌以及不同焊接能量條件下接頭截面的成型效果。此外，運用EDS對成型截面、失效界面進行元素分析。

2" 實驗結(jié)果與分析

2.1" 力學性能分析

超聲波焊接接頭的力學性能是衡量焊接成型品質(zhì)優(yōu)劣的關鍵指標。通過拉伸實驗，在其他焊接參數(shù)保持恒定的情況下，得以探究焊接能量與接頭力學性能之間的關系，相關結(jié)果如圖4所示。實驗結(jié)果表明，當焊接能量為9000J時，接頭的抗拉強度和標準差均達到最小值。這意味著在此能量條件下，接頭的成型品質(zhì)欠佳，不過穩(wěn)定性較好，且接頭失效形式均為界面拉脫。究其原因，在該能量下，導線與導線之間、線束與端子之間僅形成局部點連接，冶金結(jié)合程度不足，致使接頭成型品質(zhì)不高。當焊接能量提升至10000～11000J時，接頭抗拉強度先是快速上升，隨后增速放緩，基本保持平穩(wěn)態(tài)勢，但接頭標準差始終處于較高水平。在此能量區(qū)間（10000～11000J），接頭失效形式幾乎全為接頭拉斷，最大抗拉強度達到2077.78N。這是因為較大的焊接能量能夠促使接頭內(nèi)部銅絲的塑性流動位錯朝著有利于塑性流動的方向演變，及時填充塑性變形過程中產(chǎn)生的空洞[10]。此外，隨著焊接能量的增加，劇烈的塑性變形可提高焊接界面的溫度，有利于錫鍍層的熔化以及錫元素在銅絲中的擴散，進而在銅錫之間形成包括Cu3Sn和Cu6Sn5在內(nèi)的金屬間化合物（IMCs），這對提升接頭成型品質(zhì)頗為有利。然而，過高的焊接能量會使接頭表面與焊頭直接接觸的銅絲承受巨大的應力集中，導致接頭與線束連接處表面的銅絲在焊頭作用下發(fā)生劇烈形變，致使鍍錫銅絲斷裂。這不僅導致接頭標準差上升，還在11000J時接頭成型品質(zhì)更優(yōu)的情況下，限制了接頭抗拉強度的進一步提高。

2.2" 成型品質(zhì)分析

對不同能量下焊接接頭形貌展開分析，能夠為探究超聲波焊接后如何形成有效連接提供數(shù)據(jù)支持。圖5a～圖5c展示的是不同焊接能量下接頭的橫向截面形貌。從圖中可知：焊接接頭的連接狀態(tài)呈現(xiàn)出從上部至底部逐漸變稀疏的特征。這是因為在高頻振動的作用下，頂部的鋁導線靠近焊頭，所以率先從“黏?滑”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲顟B(tài)，進而形成緊密連接。而通過摩擦力，這種連接狀態(tài)向底部傳遞，在傳遞過程中振幅逐漸減小，并且底部鋁導線將動能轉(zhuǎn)化為導線與端子的結(jié)合能，最終也實現(xiàn)了緊密連接[11]。不過，僅依靠光學顯微鏡無法細致觀察鍍錫銅絲之間的連接細節(jié)，所以需要借助掃描電鏡（SEM）來觀察銅絲之間以及銅絲與端子之間的結(jié)合效果。微觀形貌有助于分析焊接接頭的力學性能，能為探究超聲波焊接機理提供可靠依據(jù)。圖5d～圖5f是接頭截面的SEM成型圖。圖5d呈現(xiàn)的是焊接能量為9000J時的接頭，在接頭截面處存在大量空隙，銅絲邊界輪廓清晰可辨，大量銅絲之間僅形成點連接，導線與端子的焊接界面也清晰可見。當焊接能量達到10000J時，如圖5e所示，接頭空隙逐漸減少，線束與端子的結(jié)合界面變得不那么明顯，這意味著實際焊接結(jié)合面積有所增加。導線與導線以及導線與端子之間形成了較為緊密的線連接，但內(nèi)部仍然存在大量孔隙，各導線邊界依舊能夠清晰辨別。當繼續(xù)提高焊接能量輸入時，從圖5f中可以明顯觀察到線束之間結(jié)合得更為緊密。導線間孔隙大幅減少，焊接面的導線與端子基本完全接觸，形成了牢固的面連接，而且導線已失去原本的形貌。大量線絲之間存在固態(tài)連接，這是因為滑動摩擦清除了表面的氧化物和污染物，在超聲振動和靜壓力的共同作用下，銅絲間接觸界面因摩擦生熱，焊接過程中界面溫度持續(xù)升高，銅絲表層的錫熔化，填補了銅絲之間的空隙。溫度升高會使銅表面的屈服強度降低，銅材軟化有利于塑性流動和原子的擴散。在超聲波焊接過程中，當連接界面間的原子在摩擦升溫中被激活后，潛在結(jié)合點的數(shù)量會增大。同時，作用在導線上的靜壓力使金屬原子相互靠近，當原子間距達到納米級別時，電子云密集在兩原子核之間，原子間的相互吸引促使它們形成電子橋，從而使導線與端子間實現(xiàn)原子間鍵合。

2.3" EDS分析

為了進一步確定不同組焊接能量下的鍍錫銅絲表面錫層狀態(tài)與連接特征，如圖6所示，采用EDS面掃描圖分析接頭界面銅絲所鍍錫層的分布。圖6a為9000J焊接能量條件下錫層在焊縫下部具有明顯的連續(xù)界面，與銅元素的分布缺口相一致。這說明銅絲之間的摩擦不夠充分，錫層與銅線束冶金結(jié)合區(qū)域很少。在圖6b SEM圖中銅絲之間的結(jié)合更加緊密，但是在銅元素的掃描中，緊密結(jié)合的區(qū)域處存在斷層，經(jīng)過錫元素掃描，確定斷層中的元素為Sn。這是由于在10000J的焊接能量條件下，銅絲表面錫層存在熔化并相互之間形成了冶金結(jié)合，但是銅絲表面的氧化層破碎并不夠充分，導致銅錫之間的元素擴散不夠明顯，沒有形成足夠多的金屬間脆性化合物。而在圖6c中SEM圖幾乎無法辨認銅絲輪廓，并且在Cu元素的掃描中，銅線的邊界僅存在極少區(qū)域，在Sn元素掃描圖中錫層變得很薄。這是由于較高的焊接能量促進了銅絲產(chǎn)生劇烈的塑性變形，銅絲表面氧化層破裂裸露出新鮮的銅，在高溫作用下加速了銅錫之間的元素互溶，液相存在的錫與銅形成Cu3Sn與Cu6Sn5[12]。錫元素大量擴散至銅元素中使銅絲表面的錫層大大減小，僅少量殘留，因此在Cu元素掃描中銅絲之間的邊界極不明顯。

2.4" 失效分析

本次實驗中，焊接接頭出現(xiàn)了界面拉脫與接頭拉斷兩種失效形式，如圖7所示。其中，圖7a～圖7c展示的是在9000J能量條件下的情形，此時失效形式全部為界面拉脫，部分端子表面僅有少量鍍錫銅絲殘留。通過EDS掃描發(fā)現(xiàn)，端子表面存在大量的Sn元素殘留，這證實了錫元素在銅端子表面發(fā)生了擴散。當能量條件為10000J時，少量出現(xiàn)界面拉脫的情況，而大量出現(xiàn)的是接頭拉斷的失效形式，并且界面拉脫與接頭拉斷的抗拉強度差距并不明顯。這表明在該能量條件下，鍍錫銅線的尾部與接頭焊接界面的抗拉強度較為接近。在11000J能量條件下，接頭失效形式全部為接頭拉斷，如圖7d ～圖7f所示。這是因為在較高的焊接能量下，焊頭的焊接時間大幅延長，接頭尾部連接處的銅絲在焊接過程中持續(xù)受到焊頭的沖擊。這些銅絲在焊接壓力與振幅的共同作用下，產(chǎn)生了大量的應力集中，致使表面銅絲出現(xiàn)疲勞裂紋并大量斷裂。盡管接頭內(nèi)部的成型品質(zhì)有所提高，但接頭尾部銅絲的斷裂現(xiàn)象限制了接頭抗拉強度的進一步提升。觀察斷裂的銅絲表面，未發(fā)現(xiàn)韌窩與頸縮現(xiàn)象，這說明銅絲的斷裂屬于脆性斷裂。而失效接頭內(nèi)部的銅絲為拉伸斷裂，其斷口處出現(xiàn)了頸縮（圖7g），這表明該失效形式屬于塑性變形。

3" 結(jié)論

在焊接振幅和壓力保持恒定的條件下，通過改變焊接能量，分別對鍍錫銅導線與端子進行超聲波焊接。隨后，對所得樣件依次開展拉伸實驗、溫度測量以及微觀分析，實驗結(jié)果顯示，接頭性能及失效形式出現(xiàn)了顯著變化，具體結(jié)論如下。

1）焊接能量為9000J時，接頭的抗拉強度和標準差均達到最小值。此時，導線與導線之間、線束與端子之間僅形成局部點連接，冶金結(jié)合程度不足，致使接頭成型品質(zhì)欠佳。當焊接能量提升至10000～11000J時，接頭抗拉強度起初快速提升，隨后增速變緩，基本趨于平穩(wěn)，然而接頭標準差始終處于較高水平，其中最大抗拉強度為2077.78N。

2）9000J能量下，接頭截面存在大量空隙，銅絲邊界輪廓清晰可辨，大量銅絲之間僅形成點連接，導線與端子的焊接界面也清晰可見。當焊接能量達到10000J時，接頭空隙逐漸減少，大量導線之間以及導線與端子之間形成較為緊密的線連接。而當焊接能量為11000J時，能夠明顯觀察到線束結(jié)合得更為緊密，導線間孔隙大幅減少，焊接界面處的導線基本都與端子接觸，并形成牢固的面連接，此時銅線已難以分辨原本形貌。

3）在9000J焊接能量條件下，錫層在焊縫下部呈現(xiàn)出明顯的連續(xù)界面，這表明銅絲之間的摩擦不夠充分，錫層與銅線束的冶金結(jié)合區(qū)域較少。當焊接能量為10000J時，銅絲表面的錫層出現(xiàn)熔化并結(jié)合的現(xiàn)象，但銅錫之間的元素擴散并不明顯。而在11000J焊接能量下，銅線的邊界僅在極少區(qū)域存在，在Sn元素掃描圖中，錫層變得很薄。高溫加速了銅錫之間的元素互溶，液相狀態(tài)下的錫與銅形成了Cu3Sn與Cu6Sn5。

4）在9000J能量條件下，失效形式全部為界面拉脫，部分端子表面有少量鍍錫銅絲殘留。當能量為10000J時，少量出現(xiàn)界面拉脫，大量出現(xiàn)接頭拉斷的失效形式，且鍍錫銅線的尾部與接頭焊接界面的抗拉強度相近。在11000J能量條件下，接頭失效形式全部為接頭拉斷。斷裂的銅絲表面未出現(xiàn)韌窩與頸縮，而拉伸斷裂的銅絲斷口處出現(xiàn)頸縮，說明該失效形式屬于塑性變形。

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