薄質(zhì)金屬超聲波焊接的研究現(xiàn)狀與展望

劉曉光，蔣曉明，張 理，黃 丹，王振民

（1.廣東省智能制造研究所廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510070；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

薄質(zhì)金屬超聲波焊接的研究現(xiàn)狀與展望

劉曉光1，蔣曉明1，張 理1，黃 丹1，王振民2

（1.廣東省智能制造研究所廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510070；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

概述超聲波金屬焊接的工作原理及其特殊優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹當(dāng)前國內(nèi)外在薄質(zhì)鋁、銅、鎳等金屬超聲波焊接的機(jī)理，工藝及組織、性能等方面開展的研究及其對(duì)超聲波焊接標(biāo)準(zhǔn)建立的參考價(jià)值，以及研究者們?cè)诔暡ê附訙囟葓?chǎng)的模擬仿真方面開展的研究工作及其對(duì)超聲波焊接機(jī)理研究的指導(dǎo)意義。結(jié)合當(dāng)前超聲波金屬焊接技術(shù)發(fā)展存在的局限性，總結(jié)和展望了該技術(shù)未來有待加強(qiáng)和突破的研究方向。

超聲波；金屬焊接；研究現(xiàn)狀；展望

0 前言

超聲波金屬焊接作為一種特殊的連接方法，自1950年由美國人發(fā)明問世以來，逐漸受到了廣泛關(guān)注，并在工業(yè)領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用[1]。該項(xiàng)技術(shù)可以在動(dòng)力電池制造中實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以焊接的超薄鋁、銅、鎳合金等金屬合金以及異種金屬的連接，具有節(jié)能環(huán)保、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。本研究首先概述了超聲波金屬焊接的原理及特點(diǎn)，并對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外在薄質(zhì)金屬的超聲波焊接技術(shù)在機(jī)理研究、工藝組織與性能研究以及模擬仿真研究三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，并展望了其未來的發(fā)展方向。

1 超聲波金屬焊接原理和特點(diǎn)

1.1 超聲波金屬焊接原理

超聲波金屬焊接過程主要為待焊工件的界面之間在焊接壓力作用下發(fā)生高頻率的機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生剪切力，并且在摩擦過程中產(chǎn)熱，引發(fā)塑性變形，從而使工件達(dá)到固相連接的狀態(tài)[2-9]。

超聲波金屬焊接原理如圖1所示[10]。超聲波發(fā)生器將50 Hz的工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)?6～80 kHz的諧振電流，通過逆壓電效應(yīng)將諧振電流傳遞給超聲波換能器，轉(zhuǎn)換成彈性的機(jī)械能，再通過變幅桿將振幅放大，最終將彈性振動(dòng)能量由上聲極傳遞給工件。聲學(xué)系統(tǒng)即為換能器、變幅桿、上聲極和夾持機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的整體。在系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，發(fā)生器中的震蕩電流頻率與聲學(xué)系統(tǒng)的自振頻率一致，整個(gè)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。在對(duì)工件施加壓力的同時(shí)，也傳遞彈性振動(dòng)能量，最終轉(zhuǎn)化為上下工件之間的摩擦功、變形能和熱能，可以使其在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到焊接狀態(tài)[11]。

圖1 超聲波金屬焊接原理

1.2 超聲波金屬焊接的特點(diǎn)

超聲波金屬焊接的優(yōu)越性主要包括[11-12]：

（1）應(yīng)用范圍廣。既可以進(jìn)行快速點(diǎn)焊、連續(xù)焊，又可以焊接異種金屬材料，即使是物理性能差異較大的異種材料之間的焊接也同樣適用；在金屬箔片、細(xì)絲、微小器件以及薄厚差異較大、多層金屬片的焊接方面具有特殊優(yōu)勢(shì)。

（2）節(jié)能環(huán)保。焊接過程無需焊條，焊接區(qū)域不通電，被焊金屬無需直接加熱，因此能耗比電、氣焊方法低很多；焊接過程不會(huì)產(chǎn)生任何焊渣、廢氣等污染物，且無需添加任何焊劑，更為環(huán)保。

（3）焊接過程中只產(chǎn)生局部短時(shí)高溫，不需要對(duì)焊件進(jìn)行冷卻，焊接變形小，焊接本身可以對(duì)焊件表面的氧化膜等進(jìn)行清理，焊接表面清潔美觀。

（4）焊接精度高。在電氣控制下，帶有功率電子線路的超聲波發(fā)生器能夠精準(zhǔn)地與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行焊接控制。

超聲波金屬焊接雖具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免地有下述缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)焊接工件的厚度及硬度提高時(shí)，焊接所需功率呈指數(shù)增大，因而增加了超聲波焊機(jī)的制造成本。當(dāng)所需功率過大時(shí)，聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和工藝效果都會(huì)產(chǎn)生一系列較難解決的問題，因此，當(dāng)前主要限于絲、箔、片等較細(xì)較薄的工件焊接。

（2）當(dāng)前超聲波焊接系統(tǒng)的接頭形式僅限于搭接，且受工具頭的限制，工件只能在焊接系統(tǒng)允許的尺寸范圍內(nèi)伸入，焊接的接頭形式和尺寸范圍局限性較大。

（3）當(dāng)前對(duì)于超聲波焊接的質(zhì)量檢測(cè)較為困難，一般的檢測(cè)方法難以在生產(chǎn)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，無損檢測(cè)的方法尚未達(dá)到普及狀態(tài)。

2 薄質(zhì)金屬超聲波焊接的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前超聲波金屬焊接由于受到大功率換能器等方面的限制，主要應(yīng)用于較薄金屬的焊接中，對(duì)于超聲波金屬焊接的研究也主要從機(jī)理、組織工藝和模擬仿真等方面進(jìn)行。

2.1 機(jī)理方面的研究

超聲波金屬焊接技術(shù)自問世以來，人們就開始對(duì)超聲波在金屬焊接中發(fā)生作用的機(jī)理進(jìn)行研究，但是迄今都未得到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。目前的理論主要包括[13]：新生鍵合界面、擴(kuò)散化學(xué)鍵合連接；焊接區(qū)域局部熔化或由于摩擦、塑性變形等產(chǎn)生的熱量使界面連接；機(jī)械作用的內(nèi)部自鎖連接等[14-19]。

Junhui Li等人[19]通過鋁銅的焊接試驗(yàn)和分析認(rèn)為，當(dāng)焊接溫度較低時(shí)，短路擴(kuò)散和快速位錯(cuò)通道擴(kuò)散均已發(fā)生，在幾十毫秒內(nèi)原子擴(kuò)散層厚度約為200 nm，在鋁銅界面處產(chǎn)生的金屬間化合物為AuAl2，超聲波金屬焊接過程中位錯(cuò)通道的擴(kuò)散機(jī)制比晶體擴(kuò)散效應(yīng)更為明顯。

D.Bakavos等人[20]通過對(duì)0.92 mm的6111-T4鋁合金薄板進(jìn)行大功率超聲波點(diǎn)焊試驗(yàn)，借助于X射線斷層攝影術(shù)、高分辨率掃描電鏡和電子背向散射衍射等手段發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量焊接過程及高強(qiáng)度焊縫可以在極短時(shí)間（0.3 s）內(nèi)形成。只有當(dāng)焊接能量超過某一臨界值時(shí)才能形成高強(qiáng)度焊縫，此時(shí)焊核區(qū)溫度在380℃以上。通過采用不同銅含量的合金及對(duì)界面氧化物的研究，研究人員更真實(shí)地追蹤了焊接區(qū)界面位置的軌跡及其波浪形位移在不同時(shí)期三個(gè)階段的演變：早期為不規(guī)則的界面位移在5 μm波長以內(nèi)運(yùn)動(dòng)，中期運(yùn)動(dòng)范圍20～50 μm，然后微接頭區(qū)域出現(xiàn)并旋轉(zhuǎn)到平面之外，發(fā)展成褶皺或者旋渦，最大移動(dòng)范圍可達(dá)1 mm，他們的研究清晰地展示了超聲波金屬焊接鍵合連接的形成過程。

目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該焊接屬于固相焊接[20]，焊件材料并未熔化，而是在壓力和機(jī)械摩擦、塑性變形熱的作用下，純凈的金屬表面形成了金屬鍵。

例如，王宋使用熱電偶對(duì)薄銅片和鋁合金焊接溫度進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表明，紫銅和鋁合金的焊區(qū)溫度范圍分別為550℃～590℃和275℃～305℃，均低于兩者的熔點(diǎn)溫度，焊件塑性隨溫度的升高而增加，產(chǎn)生塑性變形，使兩純凈的金屬表面相互接觸并產(chǎn)生了金屬聯(lián)系[11]。日本的學(xué)者Shin-ichi Matsuoka[22-23]等人采用熱電耦、紅外測(cè)溫儀等對(duì)超聲波鋁和陶瓷焊接區(qū)進(jìn)行測(cè)試，焊接區(qū)域的溫度也都未達(dá)到低熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)。

A.Siddiq等人[24]認(rèn)為超聲波焊接是一種表面摩擦和體積塑性軟化效果的結(jié)合，并在考慮了兩種軟化效果的情況下建立了一種現(xiàn)象學(xué)的材料模型來模擬超聲波金屬焊接過程。表面效應(yīng)中，在分析了從摩擦學(xué)試驗(yàn)中得到的壓力、滑動(dòng)、溫度和循環(huán)次數(shù)等因素的變化所引起的摩擦系數(shù)的變化后，提出了相應(yīng)的摩擦規(guī)律，在超聲波鋁合金焊接的熱機(jī)械分析中，超聲波焊接過程中的參數(shù)（加載壓力、振幅、焊接頭在摩擦界面處的速度）也在分析范圍內(nèi)，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，一致性良好。結(jié)果表明，摩擦作用僅僅是次要作用，只有當(dāng)表面氧化層在焊縫界面被打碎、分散時(shí)，摩擦才起作用，焊接過程中最高溫度遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)。

然而，也有部分學(xué)者認(rèn)為超聲波金屬焊接在焊接區(qū)存在著熔化的液態(tài)焊接[25]。他們認(rèn)為熱電偶只能測(cè)量到焊接區(qū)的平均溫度，存在的誤差較大，并不能排除超聲波金屬焊接過程中局部熔化接合的可能性。

E.I.Gundz等人[15]在513 K的溫度下對(duì)鋁和鋅薄板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)界面處存在較強(qiáng)的相互擴(kuò)散現(xiàn)象和Al-Zn固溶體的局部熔化現(xiàn)象。華南理工大學(xué)研究者采用薄銅片和銅管對(duì)超聲波金屬焊接的機(jī)理進(jìn)行了研究，研究人員通過對(duì)SEM圖像的分析以及焊接區(qū)能量值的估算，認(rèn)為超聲波焊接能夠使金屬表層達(dá)到熔點(diǎn)，或者至少可以達(dá)到金屬熔點(diǎn)的80%[26]，而不是部分學(xué)者所認(rèn)為的只有30%～70%[27-28]，由此他們斷定超聲波金屬焊接并非無金屬液化的固相連接。

2.2 工藝、組織與性能方面的研究

目前，國內(nèi)外學(xué)者在超聲波金屬焊接接頭的組織及其工藝性能方面都開展的研究較多。

上海交大李東等人對(duì)1 mm厚鋁/銅異種金屬超聲波焊接試驗(yàn)研究后[29]，分析了焊接輸入能量對(duì)接頭形貌、接合區(qū)塑性變形、原子擴(kuò)散的影響，試驗(yàn)中不同焊接能量下所獲得的焊縫的顯微組織如圖2所示，研究發(fā)現(xiàn)隨著焊接能量的逐漸增大，焊縫處的塑性變形由很微弱逐漸增加至“旋渦狀”。當(dāng)能量過小時(shí)，鋁銅界面的摩擦程度弱，塑性變形小而無法在局部區(qū)域形成連接；當(dāng)能量過大時(shí)，焊縫處塑性變形過于強(qiáng)烈而產(chǎn)生了空穴缺陷。

T.H.Kim等人[30]利用0.2 mm的薄銅片和帶有3 μm鍍鎳層的0.2 mm銅片進(jìn)行了異種金屬搭接試驗(yàn)，并通過撕裂試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行了力學(xué)性能分析，依據(jù)試樣的失效模式和載荷-位移曲線將不同焊接參數(shù)（壓力、時(shí)間）下的焊接效果分為了5種質(zhì)量等級(jí)（見表1），分別為：（Ⅰ）清晰的界面分離；（Ⅱ）部分黏連的界面分離；（Ⅲ）部分撕裂界面分離；（Ⅳ）局部周邊撕裂；（Ⅴ）整體環(huán)形斷裂。該研究為薄質(zhì)金屬合金的超聲波焊接標(biāo)準(zhǔn)提供了一定的參考。

V.K.Patel等人[31]對(duì)超聲波焊接點(diǎn)焊的AZ31鎂合金進(jìn)行了顯微組織、結(jié)晶本質(zhì)和剪切強(qiáng)度的研究，采用MH2016 HP-USW系統(tǒng)在500～3 000 J的能量輸入范圍內(nèi)對(duì)2 mm厚的AZ31B-H24鎂合金薄板進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)。結(jié)果表明，晶粒尺寸隨著焊接輸入能量的增大而增大，試樣剪切強(qiáng)度先隨焊接輸入能量的增加而增大，并在界面裂紋處產(chǎn)生斷裂，當(dāng)輸入能量過高時(shí)，剪切強(qiáng)度下降，且試樣在焊縫底部拉開斷裂。該研究對(duì)超聲波焊接點(diǎn)焊鎂合金的最優(yōu)性能探究具有借鑒意義。

溫昌金等人[32]對(duì)0.9 mm厚的鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行了超聲波點(diǎn)焊試驗(yàn)，并對(duì)接頭顯微組織、參數(shù)對(duì)接頭性能的影響以及焊縫區(qū)溫度的變化過程進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)逐漸增加焊接時(shí)間時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，原因在于過長的焊接時(shí)間會(huì)誘導(dǎo)顯微組織的演變。

圖2 不同焊接能量下焊接界面金相組織[29]

M.Shakil等人[33]探究了3003鋁合金和304不銹鋼異種合金超聲波點(diǎn)焊的參數(shù)優(yōu)化問題，分別改變壓力、能量等級(jí)來探尋顯微組織、力學(xué)性能和焊接質(zhì)量的變化。將焊接質(zhì)量定義為“未焊透”“焊接良好”和“過焊接”三種水平：在焊接能量為75 J和100 J時(shí)，抗拉強(qiáng)度較小，焊縫屬于未焊透；在焊接能量為125 J和150 J時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度最大，被定義為焊接良好；當(dāng)焊接能量為175 J和200 J時(shí)，由于界面處材料的再結(jié)晶作用引起了材料的軟化和變薄，使得試樣抗拉強(qiáng)度降低，焊縫被定義為過焊接。研究者發(fā)現(xiàn)，焊縫達(dá)到合適數(shù)量的鍵合密度和變薄量時(shí)可以獲得高質(zhì)量的焊縫。

Takehiko Watanabe等人[34]研究了低碳鋼薄板和Al-Mg合金薄板的超聲波焊接，采用0.8 mm厚的SS400低碳鋼和1.2 mm厚的A5052-H24鋁合金。在焊接時(shí)間固定為1 s時(shí)，壓力588 N下接頭強(qiáng)度最大，當(dāng)壓力超過588 N時(shí)，過大的壓力降低了表面的摩擦作用而使得接頭強(qiáng)度降低；當(dāng)壓力固定為588 N，改變焊接時(shí)間時(shí)，2.5 s焊接時(shí)間下可以獲得最大接頭強(qiáng)度，而當(dāng)焊接時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，接頭由于界面處金屬間化合物Fe2Al5的形成而強(qiáng)度降低。還嘗試了在焊接表面嵌入商業(yè)純鋁的方法，結(jié)果表明在焊接時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，接頭強(qiáng)度可以達(dá)到未嵌入時(shí)的3倍左右。

V.K.Patel等人[35]在2 mm厚的鎂合金板上進(jìn)行了超聲波點(diǎn)焊試驗(yàn)，并研究超聲波點(diǎn)焊對(duì)鎂合金顯微組織的影響。結(jié)果表明，焊接能量、應(yīng)變率和峰值溫度對(duì)控制晶粒尺寸起到關(guān)鍵作用，顯微硬度隨著輸入能量的增加而降低，原因在于晶粒尺寸的增長。

謝俊峰等人對(duì)0.5 mm厚的和鋁合金進(jìn)行了超聲波焊接試驗(yàn)[36]，通過掃描電鏡背散射等方法對(duì)比不同工藝參數(shù)組合焊接試樣的界面組織結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)振幅對(duì)超聲波焊接線性密度的影響最大，振幅為15 μm時(shí)，所形成的線性焊接密度僅為30%；而當(dāng)振幅達(dá)到30μm時(shí)，線性焊接密度可接近100%。

在超聲波金屬焊接的工藝、組織與性能方面，研究較多的參數(shù)變量為焊接輸入能量、焊接時(shí)間、焊接壓力及振幅等，除此之外，焊前表面處理對(duì)于焊接質(zhì)量也有較大影響。多數(shù)的研究結(jié)果均表明，在一定的焊接能量輸入范圍內(nèi)，焊接接頭的性能先隨能量輸入的增加而變好，當(dāng)輸入能量超過某一臨界值時(shí)，接頭性能開始下降，接頭總體呈現(xiàn)由未焊透→焊接良好→過焊接的過程。

2.3 模擬仿真方面的研究

模擬仿真的應(yīng)用對(duì)于超聲波金屬焊接機(jī)理研究具有重要意義，一方面可以通過焊接試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算的正確性，另一方面，模擬仿真的工作又對(duì)超聲波金屬焊接的研究具有指導(dǎo)意義。

表1 T.H.Kim等對(duì)超聲波點(diǎn)焊縫等級(jí)的劃分[30]

王伊卿等人從能量的角度建立了超聲波焊接二維瞬態(tài)傳熱模型[37]，用ABAQUS軟件計(jì)算超聲波焊接鋁箔金屬表面不同點(diǎn)處的溫度歷程，并用紅外熱像儀測(cè)量焊接過程中鋁箔表面溫度，繪制了溫度歷程曲線，其最高溫度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比，誤差在5%以內(nèi)。在不同焊接工藝參數(shù)組合下對(duì)超聲波焊接界面的最高溫度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，焊接界面處的最高溫度不超過金屬熔點(diǎn)的50%。S.Elangovan[38]等人通過有ANSYS有限元分析軟件為超聲波金屬焊接過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布建立了模型，以1 mm內(nèi)不同厚度的鋁銅異種材料為研究對(duì)象，考慮了壓力、摩擦系數(shù)、焊接時(shí)間等多種因素，模擬結(jié)果表明，在1 600 N加緊壓力和0.5 s焊接時(shí)間下，工件鋁截面處溫度最高值為336.8℃。南昌大學(xué)張義福等人[39]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋁合金進(jìn)行了超聲波焊接的熱-機(jī)耦合數(shù)值模擬分析[25]，在壓力175 MPa、振幅8.4 μm和加載時(shí)間為60 ms的情況下，界面處的溫度最高，可達(dá)到357.5℃，通過模式分析研究表明：與焊極相接觸的鋁合金界面處所產(chǎn)生的溫度最高，塑性變形劇烈，但最大溫升值低于熔點(diǎn)溫度。與大多數(shù)研究人員模擬仿真的結(jié)果類似，上述研究者都從溫度場(chǎng)的模型理論上闡述了超聲波金屬焊接的固相連接機(jī)制。

Yadav等人[40]通過數(shù)值模擬計(jì)算出金屬薄片在超聲波金屬焊接過程中溫度場(chǎng)分布情況，作者通過對(duì)結(jié)果的進(jìn)一步分析認(rèn)為，在超聲波焊接中金屬材料隨著溫度的升高和劇烈的塑性變形，焊接界面處的金屬原子會(huì)在空穴內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，導(dǎo)致了材料之間的粘連。

除對(duì)超聲波金屬焊接過程中溫度場(chǎng)的模擬外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周廣濤等[41]還在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上利用Marc軟件建立了鋁合金薄板焊的超聲波激振熱力耦合模型，對(duì)最佳焊接參數(shù)和加載沖擊與熱源的最佳距離進(jìn)行了探究，并用自行研制的裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)激振距離為22 mm時(shí)，可以使板長方向截面殘余拉應(yīng)力峰值從248 MPa降低到63 MPa，應(yīng)力峰值從-77 MPa降為-27 MPa，低于薄板的臨界失穩(wěn)應(yīng)力，薄板的撓曲變形消失，板邊的最大撓度從8.66 mm降至0.9 mm。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相符。

Elangovan等人[42]通過數(shù)值模擬的方法研究了金屬材料的超聲波焊接在不同工藝參數(shù)下溫度和應(yīng)力的分布情況，研究結(jié)果表明，焊接靜壓力是導(dǎo)致材料變形的重要因素，金屬材料的溫度會(huì)隨著焊接靜壓力的增加而下降。

通過有限元分析的手段可以建立合適的模型，為進(jìn)一步研究超聲波金屬焊接的機(jī)理提供幫助。

3 總結(jié)和展望

超聲波金屬焊接因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池、手機(jī)制造業(yè)、電氣儀表及宇航工業(yè)等領(lǐng)域，且越來越顯示出其發(fā)展?jié)摿?。然而，?dāng)前的一些局限性仍是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，如超聲波金屬焊接的機(jī)理尚未完全研究透徹，對(duì)于焊接過程中的結(jié)合方式仍未得到統(tǒng)一結(jié)論；目前雖在絲、箔、片等薄質(zhì)工件的焊接中獲得了較好的效果，卻仍難以滿足日益飛速發(fā)展的尖端制造業(yè)，在較大較厚構(gòu)件的焊接方面的需求；在超聲波焊接的檢測(cè)方面仍未發(fā)展完善，超聲焊接的無損檢測(cè)尚未普及，一般的檢測(cè)方法又難以進(jìn)行實(shí)時(shí)的焊接質(zhì)量檢測(cè)，不利于該種方法在實(shí)際生產(chǎn)中的普及推廣。

綜上所述，超聲波金屬焊接未來的研究應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究：

（1）加強(qiáng)焊接試驗(yàn)與仿真模擬的結(jié)合性研究，以深入探究超聲波金屬焊接的機(jī)理，在實(shí)際試驗(yàn)過程盡量使測(cè)溫儀器接近焊接區(qū)，降低測(cè)量誤差，同時(shí)輔以模擬軟件的計(jì)算驗(yàn)證，得到盡可能準(zhǔn)確的結(jié)果。

（2）加強(qiáng)大功率超聲換能器、聲學(xué)系統(tǒng)方面的研究，以使該獨(dú)特的焊接方式推廣到大構(gòu)件的焊接中。

（3）加強(qiáng)超聲波焊金屬接實(shí)時(shí)檢測(cè)方法的研究，以保證焊接質(zhì)量可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高產(chǎn)品的合格率。

[1]朱政強(qiáng)，吳宗輝，范靜輝.超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J]，焊接技術(shù)，2010，39（12）：1-6.

[2]Zhang C，Li L.A coupled thermal-mechanical analysis of ultrasonic bonding mechanism[J].Metallurgical and Materials Transactions B，2009，40（2）：196-207.

[3]Schick D E，Hahnlen R M，Dehoff R，et al.Microstructural characterization of bondinginterfaces in aluminum 3003 blocks fabricated by ultrasonic additive manufacturing[J]. Welding Journal，2010，89（5）：105-115.

[4]Siddiq A，Ghassemieh E.Thermomechanical analyses of ultrasonic welding process usingthermalandacousticsoftening effects[J].Mechanics of Materials，2008，40（12）：982-1000.

[5]Watanabe T，Yanagisawa A.Ultrasonic welding of Al-Cu and AI-SUS304.Study of ultrasonic welding of dissimilar metals（1st Report）[J].Welding International，1999，13（11）：875-886.

[6]ElangovanS，SemeerS，PrakasanK.Temperatureandstress distribution in ultrasonic metal welding-An FEA-based study[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（3）：1143-1150.

[7]Feng Z，Diamond S.Basic Studies of Ultrasonic Welding for Advanced Transportation Systems[C].High Strength WeightReductionMaterials，F(xiàn)Y2004progressreport，2004.

[8]Gao Y，Doumanidis C.Mechanical analysis of ultrasonic bonding for rapid prototyping[J].Journal of manufacturing science and engineering，2002，124（2）：426-434.

[9]Pal D.Dislocation Density Based Finite Element Modeling of Ultrasonic Consolidation[D].Logan Utah State U－niversity，2011.

[10]李亞江，王娟，劉鵬.特種焊接技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：232-233.

[11]王宋.超聲波金屬焊接機(jī)理及實(shí)驗(yàn)裝置研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2009.

[12]沈世瑤.焊接方法及設(shè)備（第三分冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[13]Joshi K C.Formation of Ultrasonic Bonds Between Metals[J].Welding Journal，1971（50）：840-848.

[14]Kreye H.Melting Phenomena in Solid State Welding Processes[J].Welding Journal，1977（56）：154-158.

[15]Gunduz I E，Ando T，Shattuck E，et al.Enhanced Diffusion and Phase Transformations During Ultrasonic Welding of Zinc and Aluminium[J].Scripta Materialia，2005（52）：939-943.

[16]Hazlett T H，Ambekar S M.Additional Studies on Interface Temperatures and Bonding Mechanisms of Ultrasonic Welds[J].Welding Journal，1970（49）：196-200.

[17]Ram G D J，Robinson C，Yang Y，et al.Use of Ultrasonic Consolidation for Fabrication of Multi-material Struc－tures[J].Rapid Prototyping Journal，2007（13）：226-235.

[18]Harthoorn J L.Ultrasonic Metal Welding，Ph.D.Dissertation，Eindhoven Netherlands[R].Technical College，1978.

[19]Li J，Han L，Zhong J.Short-circuit Diffusion of Ultrasonic Bonding Interfaces in Microelectronic Packaging[J].

[20]Surface and Interface Analysis，2008（40）：953-957. Bakavos D，Prangnell P B.Mechanisms of joint and microstructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminium automotive sheet[J].2010，527（23）：6320-6334.

[21]Harman G G，Albers J.Ultrasonic Welding Mechanism as Applied to Aluminum and Gold-wire Bolding in Microelectronics[J].IEEE Transactions on Parts，Hybrids and Packaging，1977（4）：406-412.

[22]Shin-ichi Matsuoka.Ultrasonic welding of ceramics/metal using inserts[J].Journal of Materials Processing Technology，1998，75（3）：259-265.

[23]Matsuoka S I.Ultrasonic Welding of Ceramics/Metal Using Inserts[J].Journal of Materials Processing Technology，1994（47）：185-196.

[24]Siddiq A，Ghassemieh E.Thermomechanical analyses of ultrasonic welding process using thermal and acoustic soft ening effects[J].Mechanics of Materials，2008，40（12）：982-1000.

[25]Kreye H.Melting Phenomena in Solid-state Welding Processes[J].Welding Research Supplement，1975（5）：154-158.

[26]楊圣文，湯勇.銅片-銅管的超聲波焊接機(jī)理研究[J].焊管，2005，28（5）：28-31.

[27]陳思忠.金屬材料的超聲縫焊技術(shù)研究[J].船舶科學(xué)技術(shù)，1993（3）:56.

[28]Matsuoka S I.Ultrasonic Welding of Ceramics Metal Using Inserts[J].Journal of Materials Processing Technology，1994（47）：185-196.

[29]李東，趙楊洋，張延松.焊接能量對(duì)鋁/銅超聲波焊接接頭顯微組織的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（2）：47-50

[30]Kim T H，Yum J，Hu S J，et al.Process robustness of single lap ultrasonic welding of thin，dissimilar materials[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（1）：17-20.

[31]Patel V K，Bhole S D，Chen D L.Ultrasonic spot welded AZ31 magnesium alloy：Microstructure，texture，and lap shear strength[J].Materials Science&Engineering A，2013，569（4）：78-85.

[32]溫昌金，李玉龍，趙城.鋁合金/鍍鋅鋼板異種材料薄板的超聲波點(diǎn)焊[J].焊接學(xué)報(bào)，2015，36（9）：39-42.

[33]Shakil M，Tariq N H，Ahmad M，et al.Effect of ultrasonic welding parameters on microstructure and mechanical properties of dissimilar joints[J]，Materials and Design，2014，55（6）：263-273.

[34]Takehiko Watanabe，Hideo Sakuyama，Atsushi Yanagisawa.Ultrasonic welding between mild steel sheet and Al-Mg alloy sheet[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（15-16）：5475-5480.

[35]Patel V K，Bhole S D，Chen D L.Influence of ultrasonic spot welding on microstructure in a magnesium alloy[J]. Scripta Materialia，2011，65（10）：911-914.

[36]謝俊峰，朱有利，黃元林，等.2A12與2A11鋁合金超聲波焊接工藝與組織研究[J].材料工程，2015，43（3）：54-59.

[37]王伊卿，張騰，洪軍，等.超聲波焊接金屬界面溫度仿真及實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（7）：51-54.

[38]Elangovan S，Semeer S，Prakasan K.Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding An FEA-based study[J].Journal of Materials ProcessingTechnology，2009，209（3）：1143-1150.

[39]張義福，張德勤，朱政強(qiáng)，等.AA6061鋁合金超聲波金屬焊接計(jì)算分析模型[J].電焊機(jī)，2015，45（6）：75-80.

[40]Yadav S.Thermo-mechanical analysis of ultrasonic metalwelding forrapid manufacturing [D].Tufts University，2001.

[41]周廣濤，黃海瀚，方洪淵.隨焊超聲波激振法控制鋁合金薄板焊接應(yīng)力及變形[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2014，24（4）：919-925.

[42]Elangovan S，Semeer S，Prakasan K.Temperature and stress distribution in ultrasonic metal welding-an FEA-based study[J].Journal of MaterialsProcessingTechnology，2009（209）：1143-1150.

Research status and prospect of ultrasonic welding of thin metals

LIU Xiaoguang1，JIANG Xiaoming1，ZHANG Li1，HUANG Dan1，WANG Zhenmin2
（1.Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology，Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing，Guangzhou 510070，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Thepapersummarizedtheworkingprinciple，specialadvantagesanddisadvantagesofultrasonicmetalwelding，andintroducedthe current domestic and foreign researches on welding mechanism,processes and organizations，performance，and reference value to the establishment of ultrasonic welding standards in thin aluminum，copper and nickel metal ultrasonic welding.In addition，the researches on the simulation of ultrasonic welding temperature field and its guiding significance for the research of ultrasonic welding mechanism were introduced.According to the limitation of the development of ultrasonic metal welding technology at present，the research direction that needs to be strengthened and broken in the future is summarized and prospected.

ultrasonic；metal welding；research status；prospect

TG453+.9

C

1001－2303（2017）08－0053-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.10

2017-05-20；

2017-06-06

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B091100262）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E51375173）；廣州市越秀區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-GX-013）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A040404036）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B040404063）。

劉曉光（1980—），男，助理研究員，碩士，主要從事電力電子及數(shù)字化焊接技術(shù)方面的研究工作。E-mail：ediu_liu@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：劉曉光，蔣曉明，張理，等.薄質(zhì)金屬超聲波焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：53-59.