基于数值模拟的超声焊及电阻热辅助超声焊过程研究

发布时间：2020-10-12 20:29

　　 超声波焊接(USW)是一种绿色、高效的连接方法。由于焊接过程中界面及焊接区域机械-热-冶金作用的复杂性以及过程观察与测量条件的制约,尽管近年来在该领域开展了较为广泛的研究,但焊接机理有待于进一步明晰、接头质量及可靠性有待进一步提高。电阻热辅助大功率超声焊接技术(RUSW),利用电流流过焊接区域原位生成的电阻热来促进界面连接,有望改善焊接过程和提高焊接质量,但相关研究较少,目前处于初步探索阶段。本课题针对新能源领域常见的Cu/Al超声焊接,采用有限元模拟结合部分试验,系统研究了超声焊和电流辅助超声焊的过程行为及界面连接机制,为超声焊以及复合焊的优化与应用提供理论依据。利用Ansys软件建立了超声焊接及电阻热辅助超声金属焊接的有限元模型。为了较准确的模拟电、热、力的交互作用,模型综合考虑了各接触面的摩擦产热、材料的塑性变形热、材料的动态超声变软率和接触电阻产热、随温度变化的材料性能。利用所测量的焊头振幅及上、下工件振幅计算了不同接触面的摩擦产热和材料的动态超声变软率。采用测量界面温度、焊头下压位移和焊接截面轮廓形貌的方式对超声及复合焊模拟进行了试验验证,模拟结果与实测结果吻合良好,模型可以用来研究超声及复合焊过程。利用上述所建的模型研究了Cu/Al超声焊中温度场、塑性应变分布和材料的动态嵌入过程,以及基于超声作用理论和扩散理论并结合模拟的界面的温度、塑性变形结果分析了界面中间相的生成。结果表明:最高温度出现在焊头与上工件接触面的中心;焊接过程中,焊头首先嵌入上工件表面并迅速达到完全嵌入,底座齿在下工件表面的嵌入滞后于上工件;工件塑性变形区域在开始阶段迅速增加,然后进入相对稳定阶段;焊头下压位移与焊接区域总塑性应变呈近似线性关系。为了深入理解RUSW的界面行为和焊接机制,首先通过与单一超声焊接在相同时间的温度场、塑性变形分布进行对比来揭示辅助的电阻热对焊接过程的影响,同时也与长时间超声焊情况进行了对比来体现复合焊的变化。随后分析了各种热源单独作用的过程规律。结果表明:在相同时间里,辅助的电阻热提升了界面温度并且加速了齿的嵌入材料过程;复合焊可以在较短时间达到与单一超声焊相近温度分布和塑性变形分布但获得更薄的中间相;复合作用条件下焊接区温升大于单独热源作用的温升之和。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG453.9
【部分图文】：

连接的研究至今已有 70 多年历史[1]。在形式上分为[3]：超声金属键合(ultral seam welding)、超声金属点焊(ultrasodation)。超声金属键合为金属丝与金属属点焊为金属板（或薄片）之间的连接固接与超声缝焊工作原理相似，主要固接主要应用类型为超声增量制造

华南理工大学博士学位论文于前者的变幅杆与焊头平行放置而后者为垂直放置，前者得到了广动焊机由两对楔-杆驱动焊系统组成，目前仅在美国福特公司应用。将侧向驱动和楔-杆驱动系统对金属进行了焊接，达到了良好的焊接[7]，采用复合振动设备进行焊接纯铝时，与常规超声缝焊相比，复焊接面积与焊接质量要高。超声金属焊机按换能器输出电功率大小和小功率超声焊机。大功率超声焊机一般振幅较大但振动频率较小Hz）；小功率超声焊机振幅较小但振动频率较大（一般 25 kHz 以上）

图 1-3 薄膜热电偶阵列测量界面温度[26]e schematic diagram showing measurement of interface tempfilm thermocouples during ultrasonic welding[27]用红外测温仪测量了不同焊接能量下的铜/铝接头焊接他发现界面温度明显要低于焊头接触面温度，他认为这擦更剧烈引起的。采用薄膜热电偶、K 型热电偶、各类热像仪是超声金属器和试验条件限制，任何测量方法都均存在一定的误差误差在于[21]：（1）热电偶属于外加物，其力学和物理性。比如，即使用很细的热电偶丝，也会因为导热的原因接时由于材料接触面相对运动导致热电偶测温位置改变程摩擦剧烈，界面塑性变形复杂导致测温回路断开；（4间的电动势差可能使得测温结果偏小。薄膜热电偶测温
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 李东;赵杨洋;张延松;;焊头几何尺寸对铜/铝超声波焊接接头塑性变形的影响[J];热加工工艺;2013年09期

2 朱政强;吴宗辉;范静辉;;超声波金属焊接的研究现状与展望[J];焊接技术;2010年12期

3 曾纯;朱政强;陈长青;张义福;熊志林;;超声波金属焊接中的温度与应力分布[J];上海交通大学学报;2010年S1期

本文编号：2838237