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超聲復合焊接技術介紹
功率超聲是超聲學的一個分支學科，其頻率范圍從幾千赫到幾百千赫，功率范圍從幾瓦到幾萬瓦，它主要是研究超聲能與物質(zhì)的相互作用機制。超聲波在物質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生一系列獨特的效應，如力學效應、熱效應、化學效應和生物效應等，改變或加速改變物質(zhì)的物理、化學和生物特性或狀態(tài)。利用此效應可提高材料加工速率、質(zhì)量和完成常規(guī)技術所不能勝任的材料加工與處理，因此，功率超聲技術在機械、加工、表面改性、鑄造和焊接領域有廣泛的研究和應用。
超聲波焊接是功率超聲應用備受關注的領域之一。超聲波在焊接領域的應用有兩種方式：一種是將超聲能轉(zhuǎn)換為熱能，實現(xiàn)材料連接；另一種是將超聲能與焊接熱能復合，改變普通焊接能源的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)普通焊接難以達到的效果。超聲波金屬焊和超聲波塑料焊屬于前者，是焊接領域中最早利用超聲波進行焊接加工的工藝方法，目前仍然廣泛應用于電子封裝和塑料加工領域。在普通焊接過程中引入超聲能，形成超聲復合焊接技術，屬于后者，其中包括超聲復合電弧焊、超聲復合釬焊和超聲復合攪拌摩擦焊，是近些年來受到同行普遍關注的焊接新技術之一。
超聲復合焊接是20世紀末發(fā)展起來的，在焊接領域中應用越來越廣泛。已有研究證明，將超聲能通過焊接電弧或焊接件引入焊接熔池，可提高焊接效率，減少焊接氣孔缺陷，通過細化焊縫組織，提高接頭力學性能；將超聲能引入釬焊過程，可取代釬劑實現(xiàn)綠色環(huán)保型焊接技術，同時可以實現(xiàn)普通釬焊難以完成的焊接過程；將超聲能引入攪拌摩擦焊接過程中，可有效降低焊接載荷，通過再結晶細化焊縫金屬晶粒，提高接頭力學性能。目前，超聲復合焊接技術已經(jīng)應用于鋁合金、鎂合金、鈦合金、不銹鋼及異種金屬的焊接，以及陶瓷、玻璃、金屬基復合材料等難焊材料的焊接。
盡管超聲復合焊接諸多有益作用與效果已得到證實，但是，到目前為止，真正實現(xiàn)工業(yè)化應用與推廣的技術仍然較少，其主要原因在于已有研究對聲學參量如何與焊接工藝參數(shù)匹配，聲能對熔池金屬的物理、冶金和力學作用的機制研究不夠深入，導致難以實現(xiàn)焊接工藝優(yōu)化調(diào)控，對該方法能夠達到的水平不清楚。其科學問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①超聲場對焊接過程中氣泡形成、晶體生長、動態(tài)再結晶、界面結合及潤濕以及塑性流變的影響機制的分析不深入，已有研究大多是以焊接效果來推斷超聲的作用，缺乏聲學參量與焊接效果之間內(nèi)在本質(zhì)關系規(guī)律；②聲能輸入焊接區(qū)域的作用通道及衰減規(guī)律未受關注。超聲對水或水溶液的作用規(guī)律研究比較成熟。在焊接條件下，超聲在固體材料、液/固界面、液態(tài)金屬及等離子體中的傳輸、耦合、衰減等研究較少，在實際焊接中起作用的聲能是未知的，這樣就無法進行深入、準確的超聲能作用規(guī)律研究；③超聲場、焊接溫度場與應力場力多場復合問題未得到重視。超聲復合能場焊接涉及超聲場、焊接溫度場、應力場等多場復合作用，超聲場的聲學參數(shù)和焊接溫度場、應力場的工藝參數(shù)之間的合理匹配與復合是該方法應用所面臨的一個重要基礎問題。
在焊接中施加超聲能，其主要思想是利用聲空化效應，提升傳統(tǒng)焊接的能力與質(zhì)量。在液固界面局部區(qū)域，聲空化效應產(chǎn)生高溫、高壓、高射流，相當于制造了一個特殊的物理環(huán)境。從宏觀上角度看，此效應未對焊接溫度、焊接熔池或填充液態(tài)合金造成影響，但是，對焊縫金屬結晶過程影響很大，目前已經(jīng)實現(xiàn)焊縫金屬中最常出現(xiàn)的粗大樹枝晶可以改變?yōu)榈容S晶，如何進一步調(diào)控凝固結晶過程使得焊縫金屬晶粒更細，甚至產(chǎn)生微晶或納晶，是該研究所面臨的挑戰(zhàn)。
無機非金屬材料連接一直是焊接領域的難點，其核心問題是化學上的惰性導致其與金屬極難鍵合，傳統(tǒng)焊接方法的解決思路是：如陶瓷與金屬的連接，通過活性元素與陶瓷產(chǎn)生的化學反應進行連接，界面往往生成脆性化合物，導致接頭強度低。目前的研究結果已經(jīng)證實，利用聲能活化可以開辟另外一條新思路，同時也為難以連接的玻璃等材料的連接開拓了新途徑，也是具有挑戰(zhàn)性的一個方向。另外，在焊接過程中，利用聲空化效應所制造的局部高溫、高壓、高射流，可以在更低的溫度下進行焊接，對于通過熱處理強化或形變強化的金屬材料(又稱熱敏合金，對焊接溫度極其敏感)，可避免力學性能的熱損失問題，亟待開展廣泛而深入的系統(tǒng)研究。
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