刘晓光1，蒋晓明1，张 理1，黄 丹1，王振民2
（1.广东省智能制造研究所广东省现代控制技术重点实验室，广东广州510070；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）
摘要：概述超声波金属焊接的工作原理及其特殊优势和缺点。详细介绍当前国内外在薄质铝、铜、镍等金属超声波焊接的机理，工艺及组织、性能等方面开展的研究及其对超声波焊接标准建立的参考价值，以及研究者们在超声波焊接温度场的模拟仿真方面开展的研究工作及其对超声波焊接机理研究的指导意义。结合当前超声波金属焊接技术发展存在的局限性，总结和展望了该技术未来有待加强和突破的研究方向。
关键词：超声波；金属焊接；研究现状；展望
超声波金属焊接作为一种特殊的连接方法，自1950年由美国人发明问世以来，逐渐受到了广泛关注，并在工业领域获得了越来越多的应用[1]。该项技术可以在动力电池制造中实现传统方法难以焊接的超薄铝、铜、镍合金等金属合金以及异种金属的连接，具有节能环保、操作简便等优点。本研究首先概述了超声波金属焊接的原理及特点，并对当前国内外在薄质金属的超声波焊接技术在机理研究、工艺组织与性能研究以及模拟仿真研究三个方面进行了总结，并展望了其未来的发展方向。
超声波金属焊接过程主要为待焊工件的界面之间在焊接压力作用下发生高频率的机械振动，进而产生剪切力，并且在摩擦过程中产热，引发塑性变形，从而使工件达到固相连接的状态[2-9]。
超声波金属焊接原理如图1所示[10]。超声波发生器将50 Hz的工频电流转变为16～80 kHz的谐振电流，通过逆压电效应将谐振电流传递给超声波换能器，转换成弹性的机械能，再通过变幅杆将振幅放大，最终将弹性振动能量由上声极传递给工件。声学系统即为换能器、变幅杆、上声极和夹持机构所构成的整体。在系统进行工作时，发生器中的震荡电流频率与声学系统的自振频率一致，整个系统处于谐振状态。在对工件施加压力的同时，也传递弹性振动能量，最终转化为上下工件之间的摩擦功、变形能和热能，可以使其在短时间内达到焊接状态[11]。
图1 超声波金属焊接原理
超声波金属焊接的优越性主要包括[11-12]：
（1）应用范围广。既可以进行快速点焊、连续焊，又可以焊接异种金属材料，即使是物理性能差异较大的异种材料之间的焊接也同样适用；在金属箔片、细丝、微小器件以及薄厚差异较大、多层金属片的焊接方面具有特殊优势。
（2）节能环保。焊接过程无需焊条，焊接区域不通电，被焊金属无需直接加热，因此能耗比电、气焊方法低很多；焊接过程不会产生任何焊渣、废气等污染物，且无需添加任何焊剂，更为环保。
（3）焊接过程中只产生局部短时高温，不需要对焊件进行冷却，焊接变形小，焊接本身可以对焊件表面的氧化膜等进行清理，焊接表面清洁美观。
（4）焊接精度高。在电气控制下，带有功率电子线路的超声波发生器能够精准地与计算机配合进行焊接控制。
超声波金属焊接虽具有上述一系列优点，但也不可避免地有下述缺点：
（1）当焊接工件的厚度及硬度提高时，焊接所需功率呈指数增大，因而增加了超声波焊机的制造成本。当所需功率过大时，声学系统的设计制造和工艺效果都会产生一系列较难解决的问题，因此，当前主要限于丝、箔、片等较细较薄的工件焊接。
（2）当前超声波焊接系统的接头形式仅限于搭接，且受工具头的限制，工件只能在焊接系统允许的尺寸范围内伸入，焊接的接头形式和尺寸范围局限性较大。
（3）当前对于超声波焊接的质量检测较为困难，一般的检测方法难以在生产过程中进行实时监控，无损检测的方法尚未达到普及状态。
当前超声波金属焊接由于受到大功率换能器等方面的限制，主要应用于较薄金属的焊接中，对于超声波金属焊接的研究也主要从机理、组织工艺和模拟仿真等方面进行。
超声波金属焊接技术自问世以来，人们就开始对超声波在金属焊接中发生作用的机理进行研究，但是迄今都未得到统一认识。目前的理论主要包括[13]：新生键合界面、扩散化学键合连接；焊接区域局部熔化或由于摩擦、塑性变形等产生的热量使界面连接；机械作用的内部自锁连接等[14-19]。
Junhui Li等人[19]通过铝铜的焊接试验和分析认为，当焊接温度较低时，短路扩散和快速位错通道扩散均已发生，在几十毫秒内原子扩散层厚度约为200 nm，在铝铜界面处产生的金属间化合物为AuAl2，超声波金属焊接过程中位错通道的扩散机制比晶体扩散效应更为明显。
D.Bakavos等人[20]通过对0.92 mm的6111-T4铝合金薄板进行大功率超声波点焊试验，借助于X射线断层摄影术、高分辨率扫描电镜和电子背向散射衍射等手段发现，高质量焊接过程及高强度焊缝可以在极短时间（0.3 s）内形成。只有当焊接能量超过某一临界值时才能形成高强度焊缝，此时焊核区温度在380℃以上。通过采用不同铜含量的合金及对界面氧化物的研究，研究人员更真实地追踪了焊接区界面位置的轨迹及其波浪形位移在不同时期三个阶段的演变：早期为不规则的界面位移在5 μm波长以内运动，中期运动范围20～50 μm，然后微接头区域出现并旋转到平面之外，发展成褶皱或者旋涡，最大移动范围可达1 mm，他们的研究清晰地展示了超声波金属焊接键合连接的形成过程。
目前多数学者认为该焊接属于固相焊接[20]，焊件材料并未熔化，而是在压力和机械摩擦、塑性变形热的作用下，纯净的金属表面形成了金属键。
例如，王宋使用热电偶对薄铜片和铝合金焊接温度进行了测量，实验表明，紫铜和铝合金的焊区温度范围分别为550℃～590℃和275℃～305℃，均低于两者的熔点温度，焊件塑性随温度的升高而增加，产生塑性变形，使两纯净的金属表面相互接触并产生了金属联系[11]。日本的学者Shin-ichi Matsuoka[22-23]等人采用热电耦、红外测温仪等对超声波铝和陶瓷焊接区进行测试，焊接区域的温度也都未达到低熔点材料的熔点。
A.Siddiq等人[24]认为超声波焊接是一种表面摩擦和体积塑性软化效果的结合，并在考虑了两种软化效果的情况下建立了一种现象学的材料模型来模拟超声波金属焊接过程。表面效应中，在分析了从摩擦学试验中得到的压力、滑动、温度和循环次数等因素的变化所引起的摩擦系数的变化后，提出了相应的摩擦规律，在超声波铝合金焊接的热机械分析中，超声波焊接过程中的参数（加载压力、振幅、焊接头在摩擦界面处的速度）也在分析范围内，并对模拟结果进行了验证，一致性良好。结果表明，摩擦作用仅仅是次要作用，只有当表面氧化层在焊缝界面被打碎、分散时，摩擦才起作用，焊接过程中最高温度远低于材料熔点。
然而，也有部分学者认为超声波金属焊接在焊接区存在着熔化的液态焊接[25]。他们认为热电偶只能测量到焊接区的平均温度，存在的误差较大，并不能排除超声波金属焊接过程中局部熔化接合的可能性。
E.I.Gundz等人[15]在513 K的温度下对铝和锌薄板进行了焊接试验和分析，发现界面处存在较强的相互扩散现象和Al-Zn固溶体的局部熔化现象。华南理工大学研究者采用薄铜片和铜管对超声波金属焊接的机理进行了研究，研究人员通过对SEM图像的分析以及焊接区能量值的估算，认为超声波焊接能够使金属表层达到熔点，或者至少可以达到金属熔点的80%[26]，而不是部分学者所认为的只有30%～70%[27-28]，由此他们断定超声波金属焊接并非无金属液化的固相连接。
目前，国内外学者在超声波金属焊接接头的组织及其工艺性能方面都开展的研究较多。
上海交大李东等人对1 mm厚铝/铜异种金属超声波焊接试验研究后[29]，分析了焊接输入能量对接头形貌、接合区塑性变形、原子扩散的影响，试验中不同焊接能量下所获得的焊缝的显微组织如图2所示，研究发现随着焊接能量的逐渐增大，焊缝处的塑性变形由很微弱逐渐增加至“旋涡状”。当能量过小时，铝铜界面的摩擦程度弱，塑性变形小而无法在局部区域形成连接；当能量过大时，焊缝处塑性变形过于强烈而产生了空穴缺陷。
T.H.Kim等人[30]利用0.2 mm的薄铜片和带有3 μm镀镍层的0.2 mm铜片进行了异种金属搭接试验，并通过撕裂试验对试样进行了力学性能分析，依据试样的失效模式和载荷-位移曲线将不同焊接参数（压力、时间）下的焊接效果分为了5种质量等级（见表1），分别为：（Ⅰ）清晰的界面分离；（Ⅱ）部分黏连的界面分离；（Ⅲ）部分撕裂界面分离；（Ⅳ）局部周边撕裂；（Ⅴ）整体环形断裂。该研究为薄质金属合金的超声波焊接标准提供了一定的参考。
V.K.Patel等人[31]对超声波焊接点焊的AZ31镁合金进行了显微组织、结晶本质和剪切强度的研究，采用MH2016 HP-USW系统在500～3 000 J的能量输入范围内对2 mm厚的AZ31B-H24镁合金薄板进行点焊试验。结果表明，晶粒尺寸随着焊接输入能量的增大而增大，试样剪切强度先随焊接输入能量的增加而增大，并在界面裂纹处产生断裂，当输入能量过高时，剪切强度下降，且试样在焊缝底部拉开断裂。该研究对超声波焊接点焊镁合金的最优性能探究具有借鉴意义。
温昌金等人[32]对0.9 mm厚的铝合金和镀锌钢板进行了超声波点焊试验，并对接头显微组织、参数对接头性能的影响以及焊缝区温度的变化过程进行了研究。发现在一定范围内逐渐增加焊接时间时，接头的抗拉强度呈现出先增大后减小的趋势，原因在于过长的焊接时间会诱导显微组织的演变。
图2 不同焊接能量下焊接界面金相组织[29]
M.Shakil等人[33]探究了3003铝合金和304不锈钢异种合金超声波点焊的参数优化问题，分别改变压力、能量等级来探寻显微组织、力学性能和焊接质量的变化。将焊接质量定义为“未焊透”“焊接良好”和“过焊接”三种水平：在焊接能量为75 J和100 J时，抗拉强度较小，焊缝属于未焊透；在焊接能量为125 J和150 J时，焊缝抗拉强度最大，被定义为焊接良好；当焊接能量为175 J和200 J时，由于界面处材料的再结晶作用引起了材料的软化和变薄，使得试样抗拉强度降低，焊缝被定义为过焊接。研究者发现，焊缝达到合适数量的键合密度和变薄量时可以获得高质量的焊缝。
Takehiko Watanabe等人[34]研究了低碳钢薄板和Al-Mg合金薄板的超声波焊接，采用0.8 mm厚的SS400低碳钢和1.2 mm厚的A5052-H24铝合金。在焊接时间固定为1 s时，压力588 N下接头强度最大，当压力超过588 N时，过大的压力降低了表面的摩擦作用而使得接头强度降低；当压力固定为588 N，改变焊接时间时，2.5 s焊接时间下可以获得最大接头强度，而当焊接时间达到3 s时，接头由于界面处金属间化合物Fe2Al5的形成而强度降低。还尝试了在焊接表面嵌入商业纯铝的方法，结果表明在焊接时间达到3 s时，接头强度可以达到未嵌入时的3倍左右。
V.K.Patel等人[35]在2 mm厚的镁合金板上进行了超声波点焊试验，并研究超声波点焊对镁合金显微组织的影响。结果表明，焊接能量、应变率和峰值温度对控制晶粒尺寸起到关键作用，显微硬度随着输入能量的增加而降低，原因在于晶粒尺寸的增长。
谢俊峰等人对0.5 mm厚的和铝合金进行了超声波焊接试验[36]，通过扫描电镜背散射等方法对比不同工艺参数组合焊接试样的界面组织结构。发现振幅对超声波焊接线性密度的影响最大，振幅为15 μm时，所形成的线性焊接密度仅为30%；而当振幅达到30μm时，线性焊接密度可接近100%。
在超声波金属焊接的工艺、组织与性能方面，研究较多的参数变量为焊接输入能量、焊接时间、焊接压力及振幅等，除此之外，焊前表面处理对于焊接质量也有较大影响。多数的研究结果均表明，在一定的焊接能量输入范围内，焊接接头的性能先随能量输入的增加而变好，当输入能量超过某一临界值时，接头性能开始下降，接头总体呈现由未焊透→焊接良好→过焊接的过程。
模拟仿真的应用对于超声波金属焊接机理研究具有重要意义，一方面可以通过焊接试验结果验证数学模型理论计算的正确性，另一方面，模拟仿真的工作又对超声波金属焊接的研究具有指导意义。
表1 T.H.Kim等对超声波点焊缝等级的划分[30]
质量等级失效模式失效照片载荷－位移曲线I 清晰的界面分离描述焊缝区焊接失效材料不粘连焊缝区周边无裂纹低脱落载荷Ⅱ部分黏连的界面分离焊缝区焊接失效焊缝区最小附着力（无撕裂）中等脱落载荷Ⅲ 部分撕裂界面分离焊缝区部分焊接失效部分母材黏附材料撕裂中高脱落载荷Ⅳ 局部周边撕裂显著裂纹导致焊缝周边一次焊接失效材料撕裂低中等脱落载荷Ⅴ 整体环形断裂周边焊缝完全失效全环形断裂（无撕裂）中等脱落载荷
王伊卿等人从能量的角度建立了超声波焊接二维瞬态传热模型[37]，用ABAQUS软件计算超声波焊接铝箔金属表面不同点处的温度历程，并用红外热像仪测量焊接过程中铝箔表面温度，绘制了温度历程曲线，其最高温度计算值与试验值对比，误差在5%以内。在不同焊接工艺参数组合下对超声波焊接界面的最高温度进行了计算，结果表明，焊接界面处的最高温度不超过金属熔点的50%。S.Elangovan[38]等人通过有ANSYS有限元分析软件为超声波金属焊接过程中温度场和应力场的分布建立了模型，以1 mm内不同厚度的铝铜异种材料为研究对象，考虑了压力、摩擦系数、焊接时间等多种因素，模拟结果表明，在1 600 N加紧压力和0.5 s焊接时间下，工件铝截面处温度最高值为336.8℃。南昌大学张义福等人[39]采用ABAQUS有限元软件对铝合金进行了超声波焊接的热-机耦合数值模拟分析[25]，在压力175 MPa、振幅8.4 μm和加载时间为60 ms的情况下，界面处的温度最高，可达到357.5℃，通过模式分析研究表明：与焊极相接触的铝合金界面处所产生的温度最高，塑性变形剧烈，但最大温升值低于熔点温度。与大多数研究人员模拟仿真的结果类似，上述研究者都从温度场的模型理论上阐述了超声波金属焊接的固相连接机制。
Yadav等人[40]通过数值模拟计算出金属薄片在超声波金属焊接过程中温度场分布情况，作者通过对结果的进一步分析认为，在超声波焊接中金属材料随着温度的升高和剧烈的塑性变形，焊接界面处的金属原子会在空穴内进行扩散，导致了材料之间的粘连。
除对超声波金属焊接过程中温度场的模拟外，哈尔滨工业大学周广涛等[41]还在数值模拟的基础上利用Marc软件建立了铝合金薄板焊的超声波激振热力耦合模型，对最佳焊接参数和加载冲击与热源的最佳距离进行了探究，并用自行研制的装置进行了试验验证。结果表明，当激振距离为22 mm时，可以使板长方向截面残余拉应力峰值从248 MPa降低到63 MPa，应力峰值从-77 MPa降为-27 MPa，低于薄板的临界失稳应力，薄板的挠曲变形消失，板边的最大挠度从8.66 mm降至0.9 mm。试验结果与模拟结果相符。
Elangovan等人[42]通过数值模拟的方法研究了金属材料的超声波焊接在不同工艺参数下温度和应力的分布情况，研究结果表明，焊接静压力是导致材料变形的重要因素，金属材料的温度会随着焊接静压力的增加而下降。
通过有限元分析的手段可以建立合适的模型，为进一步研究超声波金属焊接的机理提供帮助。
超声波金属焊接因其独特的优点，已广泛应用于动力锂电池、手机制造业、电气仪表及宇航工业等领域，且越来越显示出其发展潜力。然而，当前的一些局限性仍是众多学者的研究热点，如超声波金属焊接的机理尚未完全研究透彻，对于焊接过程中的结合方式仍未得到统一结论；目前虽在丝、箔、片等薄质工件的焊接中获得了较好的效果，却仍难以满足日益飞速发展的尖端制造业，在较大较厚构件的焊接方面的需求；在超声波焊接的检测方面仍未发展完善，超声焊接的无损检测尚未普及，一般的检测方法又难以进行实时的焊接质量检测，不利于该种方法在实际生产中的普及推广。
综上所述，超声波金属焊接未来的研究应加强以下方面的研究：
（1）加强焊接试验与仿真模拟的结合性研究，以深入探究超声波金属焊接的机理，在实际试验过程尽量使测温仪器接近焊接区，降低测量误差，同时辅以模拟软件的计算验证，得到尽可能准确的结果。
（2）加强大功率超声换能器、声学系统方面的研究，以使该独特的焊接方式推广到大构件的焊接中。
（3）加强超声波焊金属接实时检测方法的研究，以保证焊接质量可实时监测，提高产品的合格率。
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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）
Abstract：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.
Key words：ultrasonic；metal welding；research status；prospect
中图分类号：TG453+.9
文献标志码：C
文章编号：1001－2303（2017）08－0053-07
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.10
收稿日期：2017-05-20；
修回日期：2017-06-06
基金项目：广东省科技计划项目（2012B091100262）；国家自然科学基金项目（E51375173）；广州市越秀区科技计划项目（2012-GX-013）；广东省科技计划项目（2015A040404036）；广东省科技计划项目（2014B040404063）。
作者简介：刘晓光（1980—），男，助理研究员，硕士，主要从事电力电子及数字化焊接技术方面的研究工作。E-mail：ediu_liu@163.com。
本文参考文献引用格式：刘晓光，蒋晓明，张理，等.薄质金属超声波焊接的研究现状与展望[J].电焊机，2017，47（08）：53-59.
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