超聲複合焊接技術介紹

2021-12-10 17:13

功率超聲是超聲學的一個分支學科，其頻率範圍從幾千赫到幾百千赫，功率範圍從幾瓦到幾萬瓦，它主要是研究超聲能與物質的相互作用機製。超聲波在物質中傳播時會產生一係列獨特的效應，如力學效應、熱效應、化學效應和生物效應等，改變或加速改變物質的物理、化學和生物特性或狀態。利用此效應可提高材料加工速率、質量和完成常規技術所不能勝任的材料加工與處理，因此，功率超聲技術在機械、加工、表麵改性、鑄造和焊接領域有廣泛的研究和應用。

超聲波焊接是功率超聲應用備受關注的領域之一。超聲波在焊接領域的應用有兩種方式：一種是將超聲能轉換為熱能，實現材料連接；另一種是將超聲能與焊接熱能複合，改變普通焊接能源的特性，能夠實現普通焊接難以達到的效果。超聲波金屬焊和超聲波塑料焊屬於前者，是焊接領域中最早利用超聲波進行焊接加工的工藝方法，目前仍然廣泛應用於電子封裝和塑料加工領域。在普通焊接過程中引入超聲能，形成超聲複合焊接技術，屬於後者，其中包括超聲複合電弧焊、超聲複合釺焊和超聲複合攪拌摩擦焊，是近些年來受到同行普遍關注的焊接新技術之一。

超聲複合焊接是20世紀末發展起來的，在焊接領域中應用越來越廣泛。已有研究證明，將超聲能通過焊接電弧或焊接件引入焊接熔池，可提高焊接效率，減少焊接氣孔缺陷，通過細化焊縫組織，提高接頭力學性能；將超聲能引入釺焊過程，可取代釺劑實現綠色環保型焊接技術，同時可以實現普通釺焊難以完成的焊接過程；將超聲能引入攪拌摩擦焊接過程中，可有效降低焊接載荷，通過再結晶細化焊縫金屬晶粒，提高接頭力學性能。目前，超聲複合焊接技術已經應用於鋁合金、鎂合金、鈦合金、不鏽鋼及異種金屬的焊接，以及陶瓷、玻璃、金屬基複合材料等難焊材料的焊接。

盡管超聲複合焊接諸多有益作用與效果已得到證實，但是，到目前為止，真正實現工業化應用與推廣的技術仍然較少，其主要原因在於已有研究對聲學參量如何與焊接工藝參數匹配，聲能對熔池金屬的物理、冶金和力學作用的機製研究不夠深入，導致難以實現焊接工藝優化調控，對該方法能夠達到的水平不清楚。其科學問題主要體現在以下幾個方麵：①超聲場對焊接過程中氣泡形成、晶體生長、動態再結晶、界麵結合及潤濕以及塑性流變的影響機製的分析不深入，已有研究大多是以焊接效果來推斷超聲的作用，缺乏聲學參量與焊接效果之間內在本質關係規律；②聲能輸入焊接區域的作用通道及衰減規律未受關注。超聲對水或水溶液的作用規律研究比較成熟。在焊接條件下，超聲在固體材料、液/固界麵、液態金屬及等離子體中的傳輸、耦合、衰減等研究較少，在實際焊接中起作用的聲能是未知的，這樣就無法進行深入、準確的超聲能作用規律研究；③超聲場、焊接溫度場與應力場力多場複合問題未得到重視。超聲複合能場焊接涉及超聲場、焊接溫度場、應力場等多場複合作用，超聲場的聲學參數和焊接溫度場、應力場的工藝參數之間的合理匹配與複合是該方法應用所麵臨的一個重要基礎問題。

在焊接中施加超聲能，其主要思想是利用聲空化效應，提升傳統焊接的能力與質量。在液固界麵局部區域，聲空化效應產生高溫、高壓、高射流，相當於製造了一個特殊的物理環境。從宏觀上角度看，此效應未對焊接溫度、焊接熔池或填充液態合金造成影響，但是，對焊縫金屬結晶過程影響很大，目前已經實現焊縫金屬中最常出現的粗大樹枝晶可以改變為等軸晶，如何進一步調控凝固結晶過程使得焊縫金屬晶粒更細，甚至產生微晶或納晶，是該研究所麵臨的挑戰。

無機非金屬材料連接一直是焊接領域的難點，其核心問題是化學上的惰性導致其與金屬極難鍵合，傳統焊接方法的解決思路是：如陶瓷與金屬的連接，通過活性元素與陶瓷產生的化學反應進行連接，界麵往往生成脆性化合物，導致接頭強度低。目前的研究結果已經證實，利用聲能活化可以開辟另外一條新思路，同時也為難以連接的玻璃等材料的連接開拓了新途徑，也是具有挑戰性的一個方向。另外，在焊接過程中，利用聲空化效應所製造的局部高溫、高壓、高射流，可以在更低的溫度下進行焊接，對於通過熱處理強化或形變強化的金屬材料(又稱熱敏合金，對焊接溫度極其敏感)，可避免力學性能的熱損失問題，亟待開展廣泛而深入的係統研究。

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