十三、如何進行6061鋁合金薄板的超聲波點焊？

6061鋁合金具有中等強度、耐腐蝕、加工性能好、可焊接性強等優點，已廣泛用于功能材料和結構材料。國內外常采用傳統的焊接方法（如MIG、TIG等）對此類合金進行焊接，但所焊接的接頭強度不能滿足要求，且焊縫容易產生氣體、夾渣、裂紋等缺陷。超聲波焊接技術具有節能、環保、操作簡便等突出優點，引起了各國學者極大的研究興趣。該技術能夠實現傳統焊接方法難以焊接的鎂合金、鋁合金等低熔點材料的連接。鑒于此，國內也廣泛開展了超聲波焊接技術的研究。如某高校的研究者以6061鋁合金為試驗材料，通過優化6061鋁合金超聲波焊接工藝參數，研究了超聲波焊接后接頭的顯微組織、表面形貌和力學性能，并分析鋁合金表面處理對其焊接性能的影響，以期促進超聲波焊接技術在輕質合金連接方面的應用。

研究者試驗選用0.3mm厚的6061鋁合金，試件尺寸為160mm×18mm×0.3mm，采用超聲波金屬點焊機對裁剪好的兩片鋁薄片進行焊接，如圖1-28所示。選用的超聲波工作頻率為20kHz，振幅為35μm，焊頭尺寸為8mm×8mm，焊接時間為40～140ms，氣缸壓強為0.1～0.6MPa，焊接壓力和焊接時間均可調。氣缸壓強與焊接壓力的關系為：焊接壓力=（氣缸面積/焊點面積）×氣缸壓強。試驗設備中，焊點面積為88mm2，氣缸直徑為53mm，經換算得到焊接壓力為氣缸壓強的35倍，所以焊接壓力在3.5～21MPa之間變化。焊接試樣剝離測試如圖1-29所示。

為考察表面處理狀態對金屬材料焊接性能的影響，研究者焊前對試件表面分別采取了四種處理方式，以分析不同表面處理狀態對超聲波焊接鋁合金的最大剝離力的影響。四種表面處理方式為：

（1）試樣A：表面無任何處理；

（2）試樣B：在試件表面上滴加乙醇；

（3）試樣C：用細砂紙打磨；

（4）試樣D：將試件表面制備成與焊頭一樣的紋理。

在相同的焊接壓力和焊接時間下，不同表面處理方式與最大剝離力的關系，如圖1-30所示。由圖可見，試樣B的剝離強度最大，試樣D的剝離強度最小，而試樣C的剝離強度與試樣A相當。試樣B的剝離強度最大而試樣D的剝離強度最小的原因是由于滴加乙醇會減小焊接區域的軟化效應。同時，焊接面的接觸點多了，即焊接面積增大了，這無疑提高了鋁合金的剝離強度。表面成紋理狀態的試件因為試件在焊接時表面的凸凹位置不一致，導致接觸點不均勻，這無疑會對剝離強度產生一定的影響。

試樣B在焊接壓力分別為12.25MPa、17.5MPa和21MPa下的最大剝離力與焊接時間的關系如圖1-31所示。由圖可看出，三個不同焊接壓力下的最大剝離力隨著焊接時間的增大而增大；但當焊接時間為120ms時，最大剝離力均達到最大值，焊接時間繼續增大時，最大剝離力反而下降；焊接時間為20ms時，剝離力為零。這是因為焊接時間太短，焊頭對材料表面的摩擦以及超聲振動不足，以至于沒有足夠的熱量和超聲能量使材料發生塑性變形而彼此結合在一起；但焊接時間過長，焊頭對材料表面進行過長時間的摩擦而產生較高的熱量，導致材料變形量過大，所以最大剝離力反而下降。

試樣B在焊接時間為120ms條件下的最大剝離力與焊接壓力的關系如圖1-32所示。由圖可見，最大剝離力隨著焊接壓力的增大而增大，但當焊接壓力達到17.5MPa時，最大剝離力達到最大值，為136.478N；隨著焊接壓力的繼續增大，最大剝離力反而下降。在試驗中發現，當焊接壓力為3.5MPa時焊接效果很差，幾乎用手都能撕裂開。這主要是因為焊接壓力過小時，焊頭施加在材料上的成型力不夠，許多振動能量都損失在材料與上聲級之間的表面摩擦上，這嚴重影響了焊接的質量，甚至還會造成焊接不上的結果。當焊接壓力過大時，焊頭施加在材料上的成型力太大，使得兩鋁薄片之間的相對滑動和焊頭對鋁薄片的表面摩擦受到抑制，嚴重的會造成焊頭微齒壓潰鋁薄片，使得焊頭和底座上的鐵砧上粘上鋁金屬，從而降低焊點的強度，故最大剝離力也會隨之下降。

焊接時間120ms、焊接壓力17.5MPa條件下，不同試樣焊接后的接頭硬度分布如圖1-33所示。由圖可看出，焊接接頭的硬度從表面到焊縫位置處依次增大，其中試樣B的硬度值最大為53.9HV，相比基體材料提高了1.31倍，試樣D的硬度值最小。這可能是因為滴加乙醇后，材料抵抗超聲軟化的能力增強，這點在上述的強度分析中已經論述過；表面成紋理處理后，鋁合金表面的凸凹位置有可能不一致，會影響鋁合金的摩擦相對滑動，摩擦產生的熱量也就減少了，塑性變形沒有其他處理方式的劇烈，所以硬度會比較低。

焊接時間120ms、焊接壓力17.5MPa條件下，不同試樣的超聲波焊接接頭的顯微組織如圖1-34所示。由圖可以看出，試樣A焊縫較平整，較狹小；而試樣C的焊縫區域有些結合的不好；試樣D的焊縫較大；試樣B的焊縫區域結合良好，并且平整規則，只有一小部分區域有些未連接好，這可能是因為破碎的氧化物分散在焊縫區域所致，但總體來看不影響焊接質量。對于以上焊縫區域出現的各種情況，可能是因為表面無任何處理時，超聲波焊接使得試件表面的氧化物破碎而分布于焊縫周圍，表面打磨粗糙后使得兩片鋁之間的凹痕位置不一致，那么當焊頭在試件表面做縱向摩擦時，可能就會出現有些地方結合得很好，有些地方結合得不好。由于焊頭的紋理凹痕較深且密集，所以試樣D與試樣C相比，焊縫較大且焊接效果差，這一點通過力學性能測試也得到證實。試樣B的焊縫界面結合很好，是因為加乙醇處理后使材料焊接區域的溫度和超聲軟化效應都高于其他兩種表面處理方式，導致結合面上的塑性變形增大，從而焊縫面結合良好。

焊接時間為120ms、焊接壓力為17.5MPa條件下，不同試樣的焊接接頭的SEM照片如圖1-35所示。由圖可見，試樣A焊縫結合面較寬且焊縫中間夾雜著白色的物體，這是因為超聲波焊接后試件表面破碎的氧化物分散在焊縫周圍；試樣B焊縫平整規則，界面結合很緊密，焊縫處只有小部分氧化物，這說明表面加乙醇處理的試樣發生了劇烈的塑性變形。

由研究者的研究與分析可見，超聲波焊接0.3mm的6061鋁合金的最佳工藝參數為：焊接時間120ms，焊接壓力17.5MPa。焊接前，對焊接接頭表面加乙醇處理，焊接接頭的力學性能可以達到較優水平。所以，建議操作者焊接前最好將試件進行超聲波處理，以達到最好的接頭力學性能。