超聲與電流共同作用下的金屬界面連線行為研究

《超聲與電流共同作用下的金屬界面連線行為研究》是依託華南理工大學，由曹彪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超聲與電流共同作用下的金屬界面連線行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹彪
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

為解決小尺寸金屬零件直接焊接可靠性差的問題，本項目研究一種基於超聲-電流複合的新的焊接方法。由於超聲-電流共同作用下的金屬界面行為是一個沒有探討過的複雜問題,項目專注於探索兩種能量的相互作用和複合焊過程行為。項目在已經建立的精密超聲-電流能量複合系統的基礎上，構建複合焊實驗研究平台，通過對過程的溫度、超聲振動、超聲功率、電流等信息的檢測分析，研究金屬界面和焊極內部超聲-電流的相互作用，探討兩種能量的作用機制和界面產熱機制；基於界面產熱機制的認識和相關理論，建立相應的電-熱-力多場耦合數值模型，作為過程研究的重要理論手段；界面微觀分析與理論分析相結合，研究超聲-電流共同作用下的金屬界面行為，揭示複合焊界面連線機理；數值模擬與工藝試驗相結合，研究典型材料連線的超聲-電流最佳化匹配和複合焊工藝規律等。通過該項研究，為複合焊的研究與發展提供較完整的技術基礎與理論依據。

結題摘要

針對電阻焊、超聲焊接在有色金屬零件焊接方面存在的問題，本項目提出以超音波焊接為基礎，同時施加電流，利用兩種能量的複合增進界面連線的新思路。 採用DSP數字控制技術設計開發了超聲-電流複合焊接電源，實現了超聲能與電阻熱之間相位的精密複合控制，並搭建了超聲-電流複合焊接試驗系統。在此基礎上，基於Labview和Matlab軟體技術開發了複合焊接過程信息檢測系統，實現了對焊接過程超聲功率、振幅、電流及工具頭位移等信號精確檢測。 研究了超聲-電流複合焊接工藝參數對Cu-Al焊接界面成形的影響規律。發現只有當輸入電流大於臨界值時，焊接過程才得到明顯改善。界面微觀組織分析結果顯示，當電流超過臨界值時，界面間出現了擴散現象；界面間原子的擴散行為受超聲功率和輸入電流共同影響。接頭力學性能分析結果顯示，超聲-電流複合焊接接頭力學性能明顯優於單一超聲焊接過程。 通過實驗驗證和數值模擬探討了超聲與電流的相互作用機制。實驗結果表明在超聲過程中施加電流，換能器輸出峰值功率明顯增大，界面溫度顯著增加；超聲對電流的作用主要體現在焊接起始階段，超聲作用使界面接觸電阻迅速減小消失。在上述基礎上建立複合焊接熱-力-電耦合模型，結合單一超聲焊接模擬實驗，發現電阻熱能夠增加界面溫度，促進工具頭和底座齒紋與工件之間的作用，是加速超聲焊接過程，提高焊接效率的主要原因。 項目達到預期目標，獲得授權發明專利1項，發表論文9篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄4篇，培養博士1名和碩士3名。基於本項目的研究成果，超聲-電流複合焊接技術受了到企業重視，與企業簽訂“超聲電阻複合焊系統及其精密控制技術開發”契約實施技術開發與成果轉化。目前還有2名博士生和1名碩士生繼續開展複合焊接技術相關延伸性的研究。