超声与电流共同作用下的金属界面连接行为研究

为解决小尺寸金属零件直接焊接可靠性差的问题，本项目研究一种基于超声-电流复合的新的焊接方法。由于超声-电流共同作用下的金属界面行为是一个没有探讨过的复杂问题,项目专注于探索两种能量的相互作用和复合焊过程行为。项目在已经建立的精密超声-电流能量复合系统的基础上，构建复合焊实验研究平台，通过对过程的温度、超声振动、超声功率、电流等信息的检测分析，研究金属界面和焊极内部超声-电流的相互作用，探讨两种能量的作用机制和界面产热机制；基于界面产热机制的认识和相关理论，建立相应的电-热-力多场耦合数值模型，作为过程研究的重要理论手段；界面微观分析与理论分析相结合，研究超声-电流共同作用下的金属界面行为，揭示复合焊界面连接机理；数值模拟与工艺试验相结合，研究典型材料连接的超声-电流优化匹配和复合焊工艺规律等。通过该项研究，为复合焊的研究与发展提供较完整的技术基础与理论依据。

针对电阻焊、超声焊接在有色金属零件焊接方面存在的问题，本项目提出以超声波焊接为基础，同时施加电流，利用两种能量的复合增进界面连接的新思路。.采用DSP数字控制技术设计开发了超声-电流复合焊接电源，实现了超声能与电阻热之间相位的精密复合控制，并搭建了超声-电流复合焊接试验系统。在此基础上，基于Labview和Matlab软件技术开发了复合焊接过程信息检测系统，实现了对焊接过程超声功率、振幅、电流及工具头位移等信号精确检测。.研究了超声-电流复合焊接工艺参数对Cu-Al焊接界面成形的影响规律。发现只有当输入电流大于临界值时，焊接过程才得到明显改善。界面微观组织分析结果显示，当电流超过临界值时，界面间出现了扩散现象；界面间原子的扩散行为受超声功率和输入电流共同影响。接头力学性能分析结果显示，超声-电流复合焊接接头力学性能明显优于单一超声焊接过程。.通过实验验证和数值模拟探讨了超声与电流的相互作用机制。实验结果表明在超声过程中施加电流，换能器输出峰值功率明显增大，界面温度显著增加；超声对电流的作用主要体现在焊接起始阶段，超声作用使界面接触电阻迅速减小消失。在上述基础上建立复合焊接热-力-电耦合模型，结合单一超声焊接模拟实验，发现电阻热能够增加界面温度，促进工具头和底座齿纹与工件之间的作用，是加速超声焊接过程，提高焊接效率的主要原因。.项目达到预期目标，获得授权发明专利1项，发表论文9篇，其中SCI收录2篇，EI收录4篇，培养博士1名和硕士3名。基于本项目的研究成果，超声-电流复合焊接技术受了到企业重视，与企业签订“超声电阻复合焊系统及其精密控制技术开发”合同实施技术开发与成果转化。目前还有2名博士生和1名硕士生继续开展复合焊接技术相关延伸性的研究。