【摘 要】
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超声波金属焊接技术具有焊接时间短、能耗低、无污染等优点,因此引起了研究者的广泛关注。为了扩大超声波焊接技术在锂电池极片、汽车线束和导电带等方面的广泛应用,提高锂电池模块及整车线路系统的可靠性,亟需进一步提高超声波焊接接头的力学性能。因此,本文从提高焊接界面温度、塑性变形程度的角度考虑,提出了超声波“三明治”焊接接头设计方案,并研究了超声波“三明治”焊接接头的连接机制和强化机理。Al/Al2219/
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超声波金属焊接技术具有焊接时间短、能耗低、无污染等优点,因此引起了研究者的广泛关注。为了扩大超声波焊接技术在锂电池极片、汽车线束和导电带等方面的广泛应用,提高锂电池模块及整车线路系统的可靠性,亟需进一步提高超声波焊接接头的力学性能。因此,本文从提高焊接界面温度、塑性变形程度的角度考虑,提出了超声波“三明治”焊接接头设计方案,并研究了超声波“三明治”焊接接头的连接机制和强化机理。Al/Al2219/Al接头的最高界面温度（402℃）比Al/Al接头的最高界面温度提高了67℃。Al/Al2219/Al接头的最大剪切强度（85.5 MPa）较Al/Al接头的最大剪切强度提高了35.7%。对于中间层厚度不同的Al/Al2219/Al接头,当中间层厚度为10μm时,焊接界面为波形界面,没有扩散层生成。此时Al/Al2219/Al接头的最大剪切强度为84.8 MP,比未添加中间层（中间层厚度为0μm）的Al/Al接头的最大剪切强度提高了36%。焊接界面温度的升高,促进了焊接界面材料塑性变形程度及有效结合面积增大,这是提高焊接接头力学性能的主要因素。为了考察Al2219颗粒中间层对Al/Cu接头的适用性,研究了Al2219颗粒中间层对Al/Cu接头微观组织及力学性能的影响。Al/Al2219/Cu接头的剪切强度在焊接压力为60 psi时达到最大值,为73.4 MPa,较没有中间层的Al/Cu接头最大剪切强度提高了1.3倍;此时焊接界面为波形界面,产生了机械互锁现象。焊接界面铜侧产生了严重的塑性变形,出现了形变孪晶和晶粒细化的现象;焊接界面铝侧产生了再结晶和晶粒长大的现象。TEM分析结果表明Al/中间层和Cu/中间层界面结合紧密,无明显的金属间化合物过渡层生成及未焊合区等焊接缺陷存在。随着焊接能量的增大,Al/Al2219/Cu焊接接头界面塑性变形程度增大,致使中间层致密度及焊接线密度增大,接头断口表面韧窝增多。随着焊接振幅的增大,Al/Al2219/Cu焊接接头界面塑性变形程度增大,产生了波形界面;中间层区域焊接缺陷减少,其致密度和焊接界面有效结合面积增大,接头断口表面韧窝数量增多。然而,过大的焊接能量或振幅将大大降低了焊合区铝侧的有效厚度,使焊接接头剪切强度降低。对于搭接方式不同的焊接接头,Al/Al2219/Cu接头的最大剪切强度比Cu/Al2219/Al接头的最大剪切强度提高了27.3%。Al/Al2219/Cu接头界面TEM分析结果表明,Al/中间层和Cu/中间层结合界面紧密,没有未结合区焊接缺陷,结合界面为波浪形,无明显的金属间化合物过渡层生成。为了考察Al2219颗粒中间层对Al/Ni接头的适用性,进一步研究了Al2219颗粒中间层对Al/Ni接头微观组织及力学性能的影响。对于Al/Ni接头,剪切强度在焊接时间为0.65 s时达到最大值。对于Al/Al2219/Ni接头,最大剪切强度在焊接时间为0.6 s时达到最大值,为45.6 MPa,比Al/Ni接头的最大剪切强度提高了68%,这说明颗粒中间层不仅能够提高接头的力学性能,还能降低焊接时间。焊接界面材料的高应变速率塑性变形促进了位错、空位等缺陷的生成,其加速了镍元素向铝侧的扩散速度。Al2219颗粒中间层对薄材金属超声波焊接接头的强化机理简要归纳如下:在焊接压力及剪切振动的共同作用下,Al2219颗粒可以激活工件表面,使更多的新鲜金属表面暴露出来;同时,焊接界面母材表面产生的三维层次结构增大了有效焊合面积。Al2219颗粒中间层增大焊接界面的摩擦系数,有利于提高摩擦产热量和界面温度,使材料的屈服强度降低,材料随之软化,焊接界面材料的塑性变形程度和塑性流动增强,达到修复焊接界面缺陷的效果。
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