CN112462027A - 一种超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪方法。该示踪方法将一定厚度金属箔叠加在一起，然后放置在超声波设备的下声极与上声极之间进行超声波焊接，通过观察各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂等情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，达到金属塑性流动的示踪目的。本发明可以示踪大范围、立体空间的整个焊接接头的金属塑性流动状态，又具有操作简单、快捷、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声波焊接领域，具体是一种超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪方法。该示踪方法将一定厚度金属箔叠加在一起，然后放置在超声波设备的下声极与上声极之间进行超声波焊接，通过观察各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂等情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，达到金属塑性流动的示踪目的。
背景技术
随着电动汽车普及以及汽车技术的进步，对电池单元中多层叠层、高反射性和导电性材料的连接提出了新的要求。相较于传统的熔焊技术，超声波焊接由于消除了诸如金属间化合物(IMC)、脆性相和熔合区液相反应中的气孔等冶金缺陷，其研究和工业应用越来越广泛，研究超声波焊接方法的焊接机理对于促进和拓展超声波焊接方法的工业应用具有重要的意义，其中探究超声波焊接过程中金属的塑性流动方向是阐明超声波焊接的焊接机理的主要技术方法。目前对于焊接过程中材料流动常用的示踪方法是颗粒嵌入技术。其主要原理是在工件的特定位置钻小孔，然后在孔中嵌入某种与工件化学成分不同的粉末作为示踪颗粒，焊接过程中示踪颗粒随着焊接金属的流动而相伴移动，并在焊缝中重新分布，焊接后再对特定位置示踪颗粒的终态分布变化进行分析，从而间接推断出塑性金属的流动规律(如图1所示)。
比如，彭进等人通过SiC颗粒示踪法获得了焊丝填充对熔池表面流动的影响规律，分析了不同的焊接工艺、焊丝填送模式和送丝角度对熔池表面波动行为及焊缝成形的影响(激光填丝焊对熔池动态行为及焊缝成形的影响，中国激光，2017年第11期，第66-73页)。
比如，发明专利《利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法》(CN110666331 A)采用在铝板待焊接面上打盲孔，加入氧化锆粉末作为示踪粒子，碰撞后氧化锆跟随金属表面射流，利用其在界面分布范围表征金属射流分布。氧化锆的熔点高，从而避免金属射流运动过程中受到其它因素的干扰，借助界面中氧化锆的分布可有效地表达金属射流分布。
然而，传统的示踪方法通过粉末加入到金属板内部，其具有工序繁琐、示踪区域窄、添加的粉末颗粒干扰金属的塑性流动等缺点。
本发明将一定厚度金属箔叠加在一起，并将上、下表面压平整，然后放置在超声波设备的下声极与上声极之间进行超声波焊接，通过观察各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂等情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪方法。采用光学显微镜观察金属箔焊接接头的横截面上各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂等情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪。本发明直接对超声波焊接接头进行观察，不需要额外添加示踪材料，从而避免了外加示踪材料造成的焊接过程金属塑性流动的干扰；同时，焊接接头由多层金属箔组成，可以示踪大范围、立体空间的整个焊接接头的金属塑性流动状态；又具有操作简单、快捷、成本低等优点。
本发明的技术方案如下：
(1)将一定厚度金属铜箔叠加在一起，并将上、下表面压平整；
(2)将金属箔叠层放置在超声波设备的下声极与上声极之间，进行超声波焊接，获得超声波焊接接头；
(3)将焊接接头经过切割、磨抛得到光亮的横截面；
(4)采用光学显微镜观察横截面上各层金属铜箔之间的相对位置、变形、***以及断裂的情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪。
金属铜箔的厚度为0.01-0.10毫米，金属铜箔的叠加层数为10-50层。
本发明的优点：(1)直接对超声波焊接接头进行观察，不需要额外添加示踪材料；(2)避免了外加示踪材料造成的焊接过程金属塑性流动的干扰；(3)焊接接头由多层金属箔组成，可以示踪大范围、立体空间的整个焊接接头的金属塑性流动状态；(4)操作简单、快捷、成本低。
附图说明
图1高熔点钨示踪元素的分布图；
图2超声波焊接设备和金属铜箔叠加示意图；
图3a 20层铜箔超声波焊接接头横截面照片；
图3b图3a中突起处的光镜下局部放大图；
图3c图3a中金属箔断裂处的光镜下局部放大图；
图3d图3a中凹陷处的光镜下局部放大图；
图3e图3b的简化示意图；
图3f图3c的简化示意图；
图3g图3d的简化示意图；
图4a 10层铜箔超声波焊接接头横截面照片；
图4b图4a中内凹处的光镜下局部放大图；
图4c图4a中突起处的光镜下局部放大图；
图4d图4a中断裂处的光镜下局部放大图；
图4e图4b的简化示意图；
图4f图4c的简化示意图；
图4g图4d的简化示意图；
图5a 50层铜箔超声波焊接接头横截面照片；
图5b图5a中内凹处的光镜下局部放大图；
图5c图5a中突起处的光镜下局部放大图；
图5d图5a中断裂处的光镜下局部放大图；
图5e图5b的简化示意图；
图5f图5c的简化示意图；
图5g图5d的简化示意图。
具体实施方式
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
实施例1
图2超声波焊接设备和金属铜箔叠加示意图。将超声波发生器与换能器连接，换能器通过聚能器与上声极相连，并在上声极与下声极之间放置叠加在一起的金属铜箔。超声波焊接过程中金属塑性流动方向示踪的步骤如下。
(1)将20层、厚度为0.01mm的铜箔叠加在一起，并将上、下表面压平整。
(2)将金属箔叠层放置在超声波设备的下声极与上声极之间进行超声波焊接，在焊接压力1.5atm、焊接时间0.15s、振幅50％的工艺参数条件下，获得超声波焊接接头。
(3)将焊接接头切割下来，使用环氧树脂和环氧树脂固化剂进行冷镶；然后分别用400#、800#、1200#、2000#、3000#砂纸进行打磨；将打磨后的试样使用抛光机并添加粒度0.25μm金刚石悬浮液进行抛光；将抛光后的试样放入盛有无水乙醇的容器中，然后将容器放入超声波清洗机中超声清洗，设置超声清洗的时间为10min。将清洗后的试样取出，然后吹干，最终得到光亮的超声波焊接接头的横截面。
(4)采用光学显微镜观察横截面上各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂等情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪(如图3a所示)。图3e、f、g中的黑色粗箭头方向表示为金属塑性流动方向，从图3b中可以清楚地看到层叠铜箔的***并形成波峰，对其进行主要信息提炼、次要信息简化可以得到图3e，通过与图2中箔材层叠原始状态进行对比，可以清楚地得到该位置金属塑性流动方向，即波峰两侧金属向波峰顶端位置运动、聚集，进而形成凸起的波峰。这是由于在超声波焊接过程中金属材料从上声极凸起处下方的区域流动以填充上声极凹陷处空间形成的。图3f断裂发生在上声极凸起与凹陷的交界处，随着焊接过程的进行，填充上声极凹陷处空间的金属逐渐增加到一定值便不再增加，上声极凹陷处附近的金属不再向凹陷处聚集，反而不断被挤压朝着相反的方向运动，位于上声极凹陷处的金属则继续运动契合、填充上声极凹陷处，从而拉伸铜箔导致断裂。同理，图3g也示意了金属塑性流动方向。在焊接过程的初期，层叠的铜箔朝着上声极凹陷处聚集，随着焊接过程的进行，凹陷处金属容纳量达到最大值，铜箔不再向该处聚集，反而被不断压缩，进而变形、重叠。
实施例2
实施例1中的铜箔层数改为10层，其它步骤相同，在焊接压力1.5atm、焊接时间0.10s、振幅30％的工艺参数条件下获得超声波焊接接头，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪(如图4a所示)。图4e、f、g中的黑色粗箭头方向表示为金属塑性流动方向，从图4b中可以清楚地看到层叠铜箔形成内凹，对其进行主要信息提炼、次要信息简化可以得到图4e，通过与图2中箔材层叠原始状态进行对比，可以清楚地得到该位置金属塑性流动方向，即内凹两侧金属向波谷位置运动、聚集，进而形成内凹的波谷。图4f为波峰两侧金属向波峰顶端位置运动、聚集，进而形成凸起的波峰。图4f为拉伸铜箔导致断裂。同理，图4g也示意了金属塑性流动方向。
实施例3
实施例1中的铜箔层数改为50层，其它步骤相同，在焊接压力2.0atm、焊接时间0.15s、振幅60％的工艺参数条件下获得超声波焊接接头，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪(如图5a所示)。图5e、f、g中的黑色粗箭头方向表示为金属塑性流动方向，从图5b中可以清楚地看到层叠铜箔形成内凹，对其进行主要信息提炼、次要信息简化可以得到图5e，通过与图2中箔材层叠原始状态进行对比，可以清楚地得到该位置金属塑性流动方向，即内凹两侧金属向波谷位置运动、聚集，进而形成内凹的波谷。图5g为拉伸铜箔导致断裂,图5g示意了金属塑性流动方向。图5f为波峰两侧金属向波峰顶端位置运动、聚集，进而形成凸起的波峰。
本发明直接对超声波焊接接头进行观察，不需要额外添加示踪材料，从而避免了外加示踪材料造成的焊接过程金属塑性流动的干扰；同时，焊接接头由多层金属箔组成，可以示踪大范围、立体空间的整个焊接接头的金属塑性流动状态；又具有操作简单、快捷、成本低等优点。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪方法，其特征在于：
(1)将一定厚度金属箔叠加在一起，并将上、下表面压平整；
(2)将金属箔叠层放置在超声波设备的下声极与上声极之间，进行超声波焊接，获得超声波焊接接头；
(3)将焊接接头经过切割、磨抛得到光亮的横截面；
(4)采用光学显微镜观察横截面上各层金属箔之间的相对位置、变形、***以及断裂的情况，以此显示超声波焊接过程中金属的塑性流动方向，从而实现超声波焊接过程中金属塑性流动的示踪。
2.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述金属铜箔的厚度为0.01-0.10毫米。
3.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述金属铜箔的叠加层数为10-50层。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210309 |