超声波焊接镍/铝异种金属

摘 要：超声波焊接属于压焊,该方法是在静压力作用下利用超声波高频率的弹性机械振动把工件的弹性振动能转变成摩擦功与形变能,对工件进行清理和焊接.超声波焊接主要用于连接金属材料、半导体材料、塑料和金属陶瓷等.因为焊接速度快,焊接质量好、密封性好、焊接过程安全稳定等优点,超声波金属焊接在工业上得到了十分广泛的应用.文章使用超声波焊接金属的方法对镍N4和铝1060焊接,研究了不同的焊接工艺参数对给接头显微组织带来的的影响.改变焊接时间和焊接压力等焊接工艺参数对镍/铝异种金属进行焊接,最终确定焊接可焊范围为：焊接时间50～110ms,焊接压力0.25MPa～0.35MPa,接延时400ms.将焊接时间取为50ms、80ms、110ms,焊接压力取为0.25ms、0.3ms、0.35ms,得到9组焊接参数,并分析了各参数下的焊件试样.对试样进行镶嵌、打磨、抛光以及腐蚀,使其满足观察要求,再对焊件成形进行分析,比较得出最佳的焊接试样.

关 键 词：超声波焊接；镍；铝；显微组织

引言

随着有色金属应用的日益广泛,其连接技术也随之备受关注.工业纯镍具有优异的耐腐蚀性,在工业生产中,纯镍主要用来制造不锈钢以及其他抗腐蚀合金,也用来做加氢催化剂以及陶瓷产品、电子线路、玻璃着绿色和制备Ni的化合物等.所以,优化纯镍材料的焊接工艺、控制焊接缺陷是保证设备制造质量的关键环节.纯镍的液态凝固过程没有相变,非常容易生成低熔点的共晶体,出现热裂纹等缺陷；在传统焊接过程中,焊接快速冷却凝固过程极易出现裂纹、气孔以及晶粒粗大等缺陷,严重影响焊接接头的耐腐蚀性能与机械性能.铝的密度小、延展性好,耐蚀、导热以及导电等性能优良,而且在很低的温度下依然能够得到满意的力学性能,在化工、机械、交通、建筑、航空航天、日常生产生活等领域得到了广泛的普及.铝极易形成致密的Al2O3氧化膜,吸附水分,在传统焊接过程中易造成焊缝夹杂与气孔.这些都是焊接生产中颇感困难的问题.总的来说,国内外常采用传统的焊接方法（如MIG、TIG等）对此类金属进行焊接,但所焊接的接头强度不够,且焊缝容易产生气体、夹渣、裂纹等缺陷,同时被焊金属表面状态对焊接质量影响大.焊缝中容易出现焊接变形和气孔,残余应力较大,且对应力腐蚀敏感,不能充分发挥材料的性能.因此,探索新的焊接方法在镍、铝构件材料中的运用,是非常必要和非常迫切的.

1超声波焊接原理

1.1焊接原理

超声波焊接的基本原理如图1所示,超声波发生器是一个变频装置,将工频电流变成超声波频率（15～60kHz）的振荡电流,经过换能器向焊件输出弹性机械振动.焊接时,待焊工件被上、下声极压紧,在弹性机械振动的作用下,经过摩擦、升温以及变形,使表面附着物破坏、碎化,使界面间金属原子无限接近,形成牢固的焊接接头.待焊金属工件焊接时,伴随着接触面的物理冶金过程,原子之间出现了结合与扩散现象,焊接过程中没有电流经过焊件,是一种特殊焊接过程,具有摩擦焊、扩散焊的某些特征.

1.2接头形成过程

超声波焊接过程中,上声极把超声波的弹性机械振动传送给工件接触界面,在静压力作用下,发生相对摩擦.随着摩擦面的扩大,氧化膜和其他表明附着物不断受到排挤、碎化与分散.接触面温度升高,焊件的变形抗力下降.在弹性机械振动与静压力的共同作用下,接触表面持续塑性流动,被碎化的氧化膜不断分解,深入工件内部,使纯净界面间的金属原子无限接近直至能发生引力作用,表面晶体能和扩散过程导致了再结晶现象.摩擦过程的进行使微观接触面积增大,发生严重的塑性变形,此时焊接区域能发现涡流状的塑形流动层,出现工件表面的机械咬合.当焊件的结合力超过上声极和上工件表面的结合力,在振动切变力作用下,上声极与上工件很容易分离,焊件之间形成牢固接头.

1.3材料的焊接性

焊接性是指材料在焊接工艺下能够形成可靠接头同时能够正常使用的能力.金属材料的焊接性主要由材料硬度和晶格结构决定.超声波焊接对于面心立方晶格结构的金属比较适用,如Cu、Au、Ag、Ni、Pt等；对于六方晶格结构的金属,如Mg、Ti、Zn、Zr等,可焊程度受限.原理上说,金属硬度增加会导致焊接性降低.不适合超声波焊接的金属通过一些方式可以有效改善焊接性,如预热、插入其他金属箔、涂上金属涂层等.

2实验方案

2.1实验材料

本研究的待焊材料是0.2mm厚的镍N4薄片和0.2mm厚的铝1060薄片.主要成分如下：

其中,镍N4是具有铁磁性的银白色金属,质坚硬,能够高度磨光和抗腐蚀,具有良好的机械强度和延展性,密度为8.902g/cm3,熔点1726K.主要用来制造不锈钢等抗腐蚀合金,也作加氢催化剂和用于陶瓷制品、电子线路、玻璃着绿色和镍化合物制备等.铝1060含铝量达到99.60%以上,属于工业纯铝.该种铝生产过程单一,技术成熟,成本低廉,有良好的延伸性和抗拉强度,易承受各种压力加工和引伸、弯曲.铝在空气中易被氧化形成一层致密的Al2O3氧化膜,因而耐蚀性好.实验材料预处理过程如下：（1）按规格120×40×0.2mm裁剪N4和1060薄片；（2）用酒精对两种金属试样的表面进行清理.

2.2实验设备

超声波焊接实验设备是NC-2032型超声波金属点焊机.点焊机的主要构成部分有超声波发生器、电气控制箱、焊头和气动部分.在超声波金属焊接过程中,振动频率和振幅固定不变,焊接时间和焊接压力可以进行调整.该超声波金属点焊机的技术规格如表3所示.

2.3实验方法

本实验采取同向搭接的方式进行镍/铝超声波焊接,以便制作焊接试样金相.

焊接中,将待焊工件夹持在上声极和下声极之间,保持工件与上下声极贴合在一起,并施加一定的焊接压力进行焊接,从而实现镍/铝的连接.（1）接通电源：单相AC220V,50Hz电源；（2）接通气源：空压源压力范围0.2～0.6MPa,通过气源调节阀调节压力大小；（3）打开发生器电源,电源指示灯亮；（4）设定焊接压力、焊接时间和焊接延时时间,开始焊接；（5）根据焊接牢固程度调整参数,进行焊接.

3微观组织分析

3.1接头组织特征

（1）机械嵌合：焊接工件的接触界面发生明显的塑性流动以及犬牙交错的机械嵌合,有利于焊件接头强度的提高.（2）金属间的物理冶金：超声波金属焊接过程可能存在再结晶、扩散、相变和金属间化合物形成等一系列的物理冶金现象.至今为止,这一类的研究不多,缺少实验支撑,而且短时间焊接的情况下接头中不一定出现上述变化照样可以形成接头.（3）金属原子间的键合：接头中,焊接界面出现的大量被歪扭的晶粒的尺寸与母材金属的晶粒并没有显著差异,焊件依靠金属原子键合连在一起.待焊材料在摩擦作用下产生变形与塑性流动,使金属表面得以接触,持续的振动和温升造成金属晶格原子激活,就可能使原子间相互作用形成金属键.（4）界面微区熔化现象：超声波焊接时,微区焊接温度无法准确测量,因此不排除出现局部熔化现象.高倍透射电子显微镜分析中观察到,在连结区微细晶粒的转角处,存在非熔化质点,这是该处金属加热熔化之后凝固的特点.也就是说,超声波焊接时界面薄层或局部发生了短时间熔化随即高速冷却的过程.

3.2超声波焊接实验

超声波焊接过程中,采用不同的工艺参数进行焊接,需要调整的工艺参数有：焊接延时、焊接时间、焊接压力.镍/铝超声波焊接过程中,当焊接延时时间变化范围是300～500ms时,接头焊接效果没有变化,因此,可以得出结论：焊接延时在一定范围内对焊接效果几乎没有影响,故本实验统一取定焊接延时为400ms.当焊接压力是0.3MPa,焊接时间为40ms时,镍铝无法有效连接；焊接时间为50ms时,待焊工件能够有效连接；焊接时间是120ms时,焊件表面出现明显压损,开始断裂,因而也无法满足焊接要求.当焊接时间是80ms,焊接压力为0.2MPa时,接头焊接不足,不能有效连接；当焊接压力是0.4MPa,造成焊件压溃.另外,在其它极端参数下无法保证镍/铝的可靠连接,故确定可焊范围为：焊接时间50～110ms,焊接压力0.25MPa～0.35MPa,焊接延时400ms.选取表4焊接工艺参数对镍/铝实施超声波焊接,得到9组焊接参数下的试样,并对各参数下的焊件试样进行分析.

3.3金相试样制备

（1）取样超声波焊接实验完毕后,沿所得试样焊接接头截面中间垂直剪开,取中间焊合的部分作为分析试样.

（2）镶嵌因焊件试样非常小,而且用于观察界面组织特征,所以必须进行镶嵌.镶嵌时,待温度上升至110℃时进行压力加载,保温8～12min即可.

（3）打磨将镶嵌试样依次用400#、800#、1000#、1500#、2000#的水砂纸进行打磨.砂纸粒度由粗到细,打磨过程中,用力应轻时间应短,保持试样与砂纸平行,摩擦方向与试样条形走向一致.磨光后用水清洗,以避免磨面上残存的磨料微粒与游离金属划伤试样表面.

（4）抛光在抛光机上用细绒布和金刚石研磨膏（粒度2.5μm）和对试样进行机械抛光,除去打磨后留下的划痕,将观察面抛光成接近光滑镜面.用金相显微镜观察接头显微组织并记录.

3.4焊接工艺参数优化

本文因限于实验条件,仅将抛光得到的焊件试样用金相显微镜进行观察,分析焊接工艺参数的不同对接头界面的显微组织造成的影响.不同焊接时间下的接头焊缝微观组织,可以看出,焊接时间为50ms时,接头焊接效果非常好,焊接界面整齐,镍/铝异种金属完全结合；当焊接时间为80ms,铝上表面已经出现了压溃的现象,焊头上的把铝薄片大部分压穿,焊接效果不佳；当焊接时间为110ms,焊接接头的接触界面虽然紧紧贴合在一起,但是铝片全部被焊头压穿,压损的程度更加严重,接头质量受到了严重的影响.

焊接时间对接头质量影响很大,焊接时间不够,金属表面氧化膜来不及被氧化,只形成几个间的焊接,接头强度低,甚至不能有效形成接头,如在焊接压力为0.3MPa,焊接时间为40ms时,镍/铝接头无法有效连接.随着焊接时间的延长,超声波能量在两焊件之间产生充分的振动,从而使镍/铝焊接接头获得足够的能量,可以增加焊件之间的接触面积,有利于焊点强度快速增加,而且在某个焊接时间范围之间接头强度持续增加.当焊接时间超过一定的范围,焊点强度转而开始减小,这是因为焊件的热量增加过多,温度升高,塑性增强,上声极表面的微齿陷入焊件中,使焊件产生严重变形,容易使焊点发生压损,而且使焊件之间的接触面积减小,所以接头强度降低.不同焊接压力下的接头焊缝显微形貌,可以看到,焊接压力为0.25Mpa时,焊接界面出现了一大段没有焊合的区域,实际上没有形成理想的连接；焊接压力为0.3MPa时,焊接界面整齐,完全焊合,镍/铝异种金属完全结合在一起,接头焊接效果非常好；当焊接压力为0.35MPa时,铝薄片完全被上声极压穿,甚至陷入了镍薄片里面,造成接头实际结合面减小,焊接效果不好,接头质量差.

根据上述分析可知,在工件位置为铝在上镍在下、焊件表面清洁的条件下,当焊接时间为50ms,焊接压力为0.3MPa,焊接延时为400ms,接头焊接效果最佳,得到了最佳的焊接接头.焊接过程中,焊接压力为0.3MPa时,焊接时间在一定范围内（50ms～100ms）会提高焊接接头强度,但焊接时间过长（超过120ms）,会使焊件压溃,产生裂纹.同样地,焊接时间为80ms时,当焊接压力持续增加时,在一定范围内（0.25MPa～0.35MPa）使焊接界面的焊合率增大.但焊接压力过大（超过0.4MPa）时,镍/铝焊接接头强度不升反降.

4结束语

在实验过程中,尝试过用腐蚀液对接头金相试样进行腐蚀.由于镍、铝的化学性质相差较大,不同的金属必须使用不同的腐蚀溶液,但腐蚀效果不明显,经过多种腐蚀溶液的尝试,均无法观察到铝的明显组织特征,在今后研究中需要找到理想的腐蚀剂进行腐蚀.实验过程中发现,当未对镍、铝进行表面清理时,镍/铝焊接不足,无法实现有效连接；在其他工艺参数不变时,清理后的焊件能够形成可靠接头.其中的具体原因也是值得探究的.影响镍/铝焊接接头微观形貌的因素可能还有工件的相对位置,焊件的厚度等,这些都有待研究.关于镍/铝超声波焊接接头的具体形成机理,限于实验条件,本文的探讨有限,但它一定是值得我们去不断研究的.随着实验条件的改善,还有待于进行深入的探究以揭示其本质机理.