超聲波焊接鎳-鋁異種金屬探究

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1、超聲波焊接鐮/鋁異種金屬探究摘要:超聲波焊接屬于壓焊,該方法是在靜壓力作用下利用超聲波高頻率的彈性機械振動把工件的彈性振動能轉(zhuǎn)變成摩擦功與形變能,對工件進行清理和焊接。超聲波焊接主要用于連接金屬材料、半導(dǎo)體材料、塑料和金屬陶瓷等。因為焊接速度快,焊接質(zhì)量好、密封性好、焊接過程安全穩(wěn)定等優(yōu)點,超聲波金屬焊接在工業(yè)上得到了十分廣泛的應(yīng)用。文章使用超聲波焊接金屬的方法對鎳N4和鋁1060焊接,研究了不同的焊接工藝參數(shù)對給接頭顯微組織帶來的的影響。改變焊接時間和焊接壓力等焊接工藝參數(shù)對鐮/鋁異種金屬進行焊接,最終確定焊接可焊范圍為:焊接時間50?110ms,焊接壓力0.2

2、5MPa?0.35MPa,接延時400ms。將焊接時間取為50ms、80ms、110ms,焊接壓力取為0.25ms、0.3ms、0.35ms,得到9組焊接參數(shù),并分析了各參數(shù)下的焊件試樣。對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光以及腐蝕,使其滿足觀察要求,再對焊件成形進行分析,比較得出最佳的焊接試樣。關(guān)鍵詞:超聲波焊接;鎳;鋁;顯微組織引言隨著有色金屬應(yīng)用的日益廣泛,其連接技術(shù)也隨之備受關(guān)注。工業(yè)純鐮具有優(yōu)異的耐腐蝕性,在工業(yè)生產(chǎn)中,純礫主要用來制造不銹鋼以及其他抗腐蝕合金,也用來做加氫催化劑以及陶瓷產(chǎn)品、電子線路、玻璃著綠色和制備Ni的化合物等。所以,優(yōu)化純鎳材料的焊接工藝、

3、控制焊接缺陷是保證設(shè)備制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。純鐮的液態(tài)凝固過程沒有相變,非常容易生成低熔點的共晶體,出現(xiàn)熱裂紋等缺陷;在傳統(tǒng)焊接過程中,焊接快速冷卻凝固過程極易出現(xiàn)裂紋、氣孔以及晶粒粗大等缺陷,嚴(yán)重影響焊接接頭的耐腐蝕性能與機械性能。鋁的密度小、延展性好,耐蝕、導(dǎo)熱以及導(dǎo)電等性能優(yōu)良,而且在很低的溫度下依然能夠得到滿意的力學(xué)性能,在化工、機械、交通、建筑、航空航天、日常生產(chǎn)生活等領(lǐng)域得到了廣泛的普及。鋁極易形成致密的A1203氧化膜,吸附水分,在傳統(tǒng)焊接過程中易造成焊縫夾雜與氣孔。這些都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的問題??偟膩碚f,國內(nèi)外常采用傳統(tǒng)的焊接方法(如MIG、TI

4、G等)對此類金屬進行焊接,但所焊接的接頭強度不夠,且焊縫容易產(chǎn)生氣體、夾渣、裂紋等缺陷,同時被焊金屬表面狀態(tài)對焊接質(zhì)量影響大。焊縫中容易出現(xiàn)焊接變形和氣孔,殘余應(yīng)力較大,且對應(yīng)力腐蝕敏感,不能充分發(fā)揮材料的性能。因此,探索新的焊接方法在鎳、鋁構(gòu)件材料中的運用,是非常必要和非常迫切的。1超聲波焊接原理1.1焊接原理超聲波焊接的基本原理如圖1所示,超聲波發(fā)生器是一個變頻裝置,將工頻電流變成超聲波頻率(15?60kHz)的振蕩電流,經(jīng)過換能器向焊件輸出彈性機械振動。焊接時,待焊工件被上、下聲極壓緊,在彈性機械振動的作用下,經(jīng)過摩擦、升溫以及變形,使表面附著物破壞、碎化,

5、使界面間金屬原子無限接近,形成牢固的焊接接頭。待焊金屬工件焊接時,伴隨著接觸面的物理冶金過程,原子之間出現(xiàn)了結(jié)合與擴散現(xiàn)象,焊接過程中沒有電流經(jīng)過焊件,是一種特殊焊接過程,具有摩擦焊、擴散焊的某些特征。1.2接頭形成過程超聲波焊接過程中,上聲極把超聲波的彈性機械振動傳送給工件接觸界面,在靜壓力作用下,發(fā)生相對摩擦。隨著摩擦面的擴大,氧化膜和其他表明附著物不斷受到排擠、碎化與分散。接觸面溫度升高,焊件的變形抗力下降。在彈性機械振動與靜壓力的共同作用下,接觸表面持續(xù)塑性流動,被碎化的氧化膜不斷分解,深入工件內(nèi)部,使純凈界面間的金屬原子無限接近直至能發(fā)生引力作用,表面晶

6、體能和擴散過程導(dǎo)致了再結(jié)晶現(xiàn)象。摩擦過程的進行使微觀接觸面積增大,發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形,此時焊接區(qū)域能發(fā)現(xiàn)渦流狀的塑形流動層,出現(xiàn)工件表面的機械咬合。當(dāng)焊件的結(jié)合力超過上聲極和上工件表面的結(jié)合力,在振動切變力作用下,上聲極與上工件很容易分離,焊件之間形成牢固接頭。1.3材料的焊接性焊接性是指材料在焊接工藝下能夠形成可靠接頭同時能夠正常使用的能力。金屬材料的焊接性主要由材料硬度和晶格結(jié)構(gòu)決定。超聲波焊接對于面心立方晶格結(jié)構(gòu)的金屬比較適用,如Cu、Au、Ag.Ni、Pt等;對于六方晶格結(jié)構(gòu)的金屬,如Mg、Ti、Zn、Zr等,可焊程度受限。原理上說,金屬硬度增加會導(dǎo)致焊接

7、性降低。不適合超聲波焊接的金屬通過一些方式可以有效改善焊接性,如預(yù)熱、插入其他金屬箔、涂上金屬涂層等。2實驗方案2.1實驗材料本研究的待焊材料是0.2mm厚的鐮N4薄片和0.2mm厚的鋁1060薄片。主要成分如下:其中,鎳N4是具有鐵磁性的銀白色金屬,質(zhì)堅硬,能夠高度磨光和抗腐蝕,具有良好的機械強度和延展性,密度為8.902g/cm3,熔點1726K。主要用來制造不銹鋼等抗腐蝕合金,也作加氫催化劑和用于陶瓷制品、電子線路、玻璃著綠色和鎳化合物制備等。鋁1060含鋁量達到99.60%以上,屬于工業(yè)純鋁。該種鋁生產(chǎn)過程單一,技術(shù)成熟,成本低廉,有良好的延伸性和抗拉強度

8、,易承受各

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