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鋁鎂異種合金板材超聲波金屬焊接工藝

2021-12-14 17:59
鋁、鎂、鈦等輕合金的開發(fā)利用在汽車輕量化的大環(huán)境下得到了極大的發(fā)展，相應(yīng)的鋁、鎂、鈦等輕合金成形領(lǐng)域的研究也得到了快速發(fā)展，其中輕合金焊接工藝就是眾多學(xué)者關(guān)注的重要領(lǐng)域之一。目前，常見的焊接方法包括電弧焊、電阻焊、摩擦焊、釬焊、激光焊、高頻焊等，但是由于鋁、鎂、鈦等輕合金的焊接性能差、導(dǎo)熱率高、受熱后容易吸氫氧化等特點(diǎn)，使得輕合金的焊接工藝成為阻礙輕合金應(yīng)用的難題。超聲波金屬焊接技術(shù)就是在這種大背景下出現(xiàn)的。經(jīng)過眾多學(xué)者試驗(yàn)研究，證實(shí)超聲波金屬焊接工藝的可行性和焊接件性能的可靠性。
 
超聲波金屬焊接技術(shù)是通過對合金表面施加垂直方向的壓力以及水平方向的高頻振動(dòng)，從而使得焊接件間的溫度迅速提升形成牢固的焊接接頭，實(shí)現(xiàn)材料的固相連接。超聲波金屬焊接技術(shù)具有突出優(yōu)勢：首先，焊接件材料種類繁多，范圍廣泛，可焊接性強(qiáng)，如銅、鎳、鋁材料的焊接；第二，超聲焊接技術(shù)對材料表面的粗糙度以及材料的清潔程度要求并不嚴(yán)格，不需要對材料表面做清潔及氧化膜去除處理，焊接方便、快捷；第三，超聲焊接過程溫度變化不足材料熔點(diǎn)的50%，避免材料發(fā)生嚴(yán)重變形或熔融；第四，超聲焊接周期短，焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，對焊接周圍區(qū)域的損傷較小。
 
隨著功率超聲技術(shù)的發(fā)展，以及輕量化技術(shù)的要求，超聲焊接技術(shù)的優(yōu)越性越來越明顯。由于各種材料性能優(yōu)勢不同，將其組合使用可獲得更良好的材料性能優(yōu)勢，因此復(fù)合材料的研制得到了廣泛關(guān)注。采用高性能輕質(zhì)材料，是提高零部件性能、實(shí)現(xiàn)裝備輕量化的有效途徑之一，如鋁制合金板材及管材、鎂制合金板材及管材和其他多種金屬與非金屬組成的復(fù)合材料。高性能輕質(zhì)材料以鋁、鎂復(fù)合材為代表，鎂合金質(zhì)量更輕，比強(qiáng)度更高，具備優(yōu)越的阻尼吸震降噪和吸熱性能，其中以變形鎂合金AZ31B為代表；而鋁合金抗腐蝕性更好、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛，以經(jīng)過熱處理預(yù)拉伸工藝后的鋁合金6061為代表。為了使鋁鎂合金的性能優(yōu)勢充分互補(bǔ)，平衡材料的性能，鋁鎂復(fù)合材料的構(gòu)建得到廣泛研究與開發(fā)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ姆氰F金屬材料之一。
 

超聲波焊接參數(shù)對金屬焊件力學(xué)性能影響及分析


焊接振幅、焊接壓力、焊接時(shí)長、焊件厚度等在超聲焊接中均存在最佳值，使焊接達(dá)到最佳效果。

超聲焊接過程中焊接參數(shù)對于焊接效果的影響主要有兩個(gè)方面：首先，超聲振動(dòng)對于材料內(nèi)部微觀組織的影響，超聲振動(dòng)的介入使材料發(fā)生“軟化”，材料內(nèi)部位錯(cuò)向著有利于塑性流動(dòng)的方向發(fā)展。而長時(shí)間、大振幅的超聲振動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生“硬化”，材料內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生塞積、堆垛，使材料塑性變差，這也是超聲振幅過大（大于8μm）時(shí)，焊件力學(xué)性能變差的根本原因。其次，超聲焊接過程主要是超聲焊頭與焊件、焊件之間、焊件與下砧板之間進(jìn)行摩擦，焊件間瞬間產(chǎn)生大量熱，致使材料局部融化使材料間發(fā)生固相連接，而在焊件間進(jìn)行熱輸入的同時(shí)，材料相應(yīng)的發(fā)生熱致軟化。參數(shù)過高導(dǎo)致材料熱輸入過量，材料軟化程度加劇，導(dǎo)致焊接接頭處容易發(fā)生焊件壓潰、焊接接頭區(qū)域變薄等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致材料力學(xué)性能減弱。