超聲波焊接(USW)是一種綠色、高效的連接方法。由于焊接過程中界面及焊接區(qū)域機(jī)械-熱-冶金作用的復(fù)雜性以及過程觀察與測(cè)量條件的制約,盡管近年來在該領(lǐng)域開展了較為廣泛的研究,但焊接機(jī)理有待于進(jìn)一步明晰、接頭質(zhì)量及可靠性有待進(jìn)一步提高。電阻熱輔助大功率超聲焊接技術(shù)(RUSW),利用電流流過焊接區(qū)域原位生成的電阻熱來促進(jìn)界面連接,有望改善焊接過程和提高焊接質(zhì)量,但相關(guān)研究較少,目前處于初步探索階段。本課題針對(duì)新能源領(lǐng)域常見的Cu/Al超聲焊接,采用有限元模擬結(jié)合部分試驗(yàn),系統(tǒng)研究了超聲焊和電流輔助超聲焊的過程行為及界面連接機(jī)制,為超聲焊以及復(fù)合焊的優(yōu)化與應(yīng)用提供理論依據(jù)。利用Ansys軟件建立了超聲焊接及電阻熱輔助超聲金屬焊接的有限元模型。為了較準(zhǔn)確的模擬電、熱、力的交互作用,模型綜合考慮了各接觸面的摩擦產(chǎn)熱、材料的塑性變形熱、材料的動(dòng)態(tài)超聲變軟率和接觸電阻產(chǎn)熱、隨溫度變化的材料性能。利用所測(cè)量的焊頭振幅及上、下工件振幅計(jì)算了不同接觸面的摩擦產(chǎn)熱和材料的動(dòng)態(tài)超聲變軟率。采用測(cè)量界面溫度、焊頭下壓位移和焊接截面輪廓形貌的方式對(duì)超聲及復(fù)合焊模擬進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好,模型可以用來研究超聲及復(fù)合焊過程。利用上述所建的模型研究了Cu/Al超聲焊中溫度場(chǎng)、塑性應(yīng)變分布和材料的動(dòng)態(tài)嵌入過程,以及基于超聲作用理論和擴(kuò)散理論并結(jié)合模擬的界面的溫度、塑性變形結(jié)果分析了界面中間相的生成。結(jié)果表明:最高溫度出現(xiàn)在焊頭與上工件接觸面的中心;焊接過程中,焊頭首先嵌入上工件表面并迅速達(dá)到完全嵌入,底座齒在下工件表面的嵌入滯后于上工件;工件塑性變形區(qū)域在開始階段迅速增加,然后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段;焊頭下壓位移與焊接區(qū)域總塑性應(yīng)變呈近似線性關(guān)系。為了深入理解RUSW的界面行為和焊接機(jī)制,首先通過與單一超聲焊接在相同時(shí)間的溫度場(chǎng)、塑性變形分布進(jìn)行對(duì)比來揭示輔助的電阻熱對(duì)焊接過程的影響,同時(shí)也與長(zhǎng)時(shí)間超聲焊情況進(jìn)行了對(duì)比來體現(xiàn)復(fù)合焊的變化。隨后分析了各種熱源單獨(dú)作用的過程規(guī)律。結(jié)果表明:在相同時(shí)間里,輔助的電阻熱提升了界面溫度并且加速了齒的嵌入材料過程;復(fù)合焊可以在較短時(shí)間達(dá)到與單一超聲焊相近溫度分布和塑性變形分布但獲得更薄的中間相;復(fù)合作用條件下焊接區(qū)溫升大于單獨(dú)熱源作用的溫升之和。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG453.9
【部分圖文】：

連接的研究至今已有 70 多年歷史[1]。在形式上分為[3]：超聲金屬鍵合(ultral seam welding)、超聲金屬點(diǎn)焊(ultrasodation)。超聲金屬鍵合為金屬絲與金屬屬點(diǎn)焊為金屬板（或薄片）之間的連接固接與超聲縫焊工作原理相似，主要固接主要應(yīng)用類型為超聲增量制造

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文于前者的變幅桿與焊頭平行放置而后者為垂直放置，前者得到了廣動(dòng)焊機(jī)由兩對(duì)楔-桿驅(qū)動(dòng)焊系統(tǒng)組成，目前僅在美國(guó)福特公司應(yīng)用。將側(cè)向驅(qū)動(dòng)和楔-桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)金屬進(jìn)行了焊接，達(dá)到了良好的焊接[7]，采用復(fù)合振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行焊接純鋁時(shí)，與常規(guī)超聲縫焊相比，復(fù)焊接面積與焊接質(zhì)量要高。超聲金屬焊機(jī)按換能器輸出電功率大小和小功率超聲焊機(jī)。大功率超聲焊機(jī)一般振幅較大但振動(dòng)頻率較小Hz）；小功率超聲焊機(jī)振幅較小但振動(dòng)頻率較大（一般 25 kHz 以上）

圖 1-3 薄膜熱電偶陣列測(cè)量界面溫度[26]e schematic diagram showing measurement of interface tempfilm thermocouples during ultrasonic welding[27]用紅外測(cè)溫儀測(cè)量了不同焊接能量下的銅/鋁接頭焊接他發(fā)現(xiàn)界面溫度明顯要低于焊頭接觸面溫度，他認(rèn)為這擦更劇烈引起的。采用薄膜熱電偶、K 型熱電偶、各類熱像儀是超聲金屬器和試驗(yàn)條件限制，任何測(cè)量方法都均存在一定的誤差誤差在于[21]：（1）熱電偶屬于外加物，其力學(xué)和物理性。比如，即使用很細(xì)的熱電偶絲，也會(huì)因?yàn)閷?dǎo)熱的原因接時(shí)由于材料接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致熱電偶測(cè)溫位置改變程摩擦劇烈，界面塑性變形復(fù)雜導(dǎo)致測(cè)溫回路斷開；（4間的電動(dòng)勢(shì)差可能使得測(cè)溫結(jié)果偏小。薄膜熱電偶測(cè)溫
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李東;趙楊洋;張延松;;焊頭幾何尺寸對(duì)銅/鋁超聲波焊接接頭塑性變形的影響[J];熱加工工藝;2013年09期

2 朱政強(qiáng);吳宗輝;范靜輝;;超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J];焊接技術(shù);2010年12期

3 曾純;朱政強(qiáng);陳長(zhǎng)青;張義福;熊志林;;超聲波金屬焊接中的溫度與應(yīng)力分布[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2010年S1期

本文編號(hào)：2838237