大型薄壁多層編織銅超聲焊接接頭組織與性能

賀曉斌，郎宗靈，劉子揚，江 琛，劉雙寶，羅小依，雷 霆

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

隨著我國空間站工程即將進入服役，大面積柔性太陽翼是其進行能源供應的生命線，其匯流條焊點能否長壽命，高可靠焊接是整翼裝焊的關鍵工藝技術，進而決定了大型航天器的供電來源。

傳統的手工釬焊方法長時間服役，容易因焊料蠕變、晶粒粗化等缺陷導致焊點的最終失效［1］。由于錫鉛焊料金屬間化合物的生長，最終焊點力學等性能將發生缺陷［2-3］，無法滿足新時代航天器長壽命、高可靠的質量要求。

空間站大面積柔性太陽翼為國內首次使用，完全伸展長度達20 m 以上，屬大型薄壁結構，焊點部位銅焊盤厚度為70 μm，匯流條形式為多達200 股的鍍銀編織銅，屬大型薄壁結構的焊接形式，需要在軌服役15 a 以上，承受（?100～100）℃背日與對日循環8 萬余次。

超聲波焊接是一種高效低能耗的焊接方法［4-5］，其原理是焊頭以超聲頻率的往復振動，使材料之間發生熱塑性變形［6］，進而在焊接界面形成機械鎖合與冶金連接［7-8］。在超聲波焊接異質材料時，產生的金屬間化合物遠少于傳統釬焊方法［9-10］。

本文針對大型薄壁超薄銅層與多股鍍銀編織銅，采用超聲波焊接的方式進行焊接，通過調整焊接工藝參數分析其對焊點力學性能的影響、典型焊點的微觀組織結構特征，并對超聲波焊點接頭采用有限元的方法［11-12］進行焊接過程仿真，對過程中的熱量分布進行模擬，對過程機理進行分析。研究結果將為深刻理解超聲波焊接過程提供支持，并為該項技術的工程應用提供理論和技術依據。

1 試驗方法

試驗采用的材料為70 μm 厚度的高純紫銅，200余股鍍銀編織銅編制的匯流條，單股匯流條材料為紫銅表面鍍銀，如圖1 所示。

圖1 試驗材料Fig.1 Experimental material

試驗所用的焊接設備為必能信公司的超聲波焊接設備，具有能量模式與時間模式，超聲振動頻率為40 kHz，最大功率800 W，本文采用的能量為90～180 J，壓力為0.242～0.276 MPa。通過Z軸的氣動方式對箔片形成固定，并通過超聲變幅桿將超聲能量傳輸于試樣上，最后將超聲能量作用于焊縫，實現材料的互聯。超聲波焊接設備和工作原理如圖2 所示。

采用微型拉伸試驗機對焊接接頭進行力學性能測試，采用HITACHII S-3400N 型掃描電子顯微鏡對接頭進行組織分析和能譜分析，采用Abaqus 進行有限元仿真分析。

圖2 超聲波焊接過程Fig.2 Schematic diagram of the ultrasonic welding process

2 試驗結果與分析

2.1 焊點顯微組織分析

焊接能量120 J、0.276 MPa 的接頭橫截面宏觀形貌如圖3 所示，焊點連接面處形貌如圖4 所示。從圖3 和圖4 中可以看出，從整體形貌圖中發現焊接接頭由Ag 層、Cu 基體構成，焊接接頭中Ag 層均勻呈網狀分布，說明在超聲波焊接中Ag 層發生了流動，通過鍍銀編織銅Ag-Ag 的結合實現了接頭強度，銅絲發生了變形，說明超聲波焊接實現了能量傳遞。

圖3 接頭橫截面宏觀形貌Fig.3 Macroscopical morphology of the joint cross section

圖4 焊點連接面處形貌Fig.4 Morphology of the solder joint surface

整個焊點并未發現明顯空洞及裂紋缺陷，進行線掃描能譜分析如圖5 所示，紅色顯示為鍍銀編織銅Ag 層，綠色為Cu 元素，通過能譜分析圖中發現界面處成分為Cu 與Ag 進行相互擴散。擴散焊接理論中，在超聲波焊接過程中，Cu 與Ag 同族元素在超聲波能量的驅動下，發生晶粒級別相互擴散，最終呈現連接行為。

圖5 焊接接頭EDS 線掃描Fig.5 EDS line scan of the welded joint

在超聲波焊接過程中，焊接斷面發生塑性變形的區域明顯增大，在高溫和塑性變形的共同作用下，局部發生了動態再結晶，形成了大量新的晶粒，從而使對應區域產生有效的連接。

2.2 接頭力學性能分析

采用微型拉伸試驗機對焊接接頭進行力學性能測試，不同參數下拉脫力數值如圖6 所示。

圖6 焊接接頭拉伸Fig.6 Stretch diagram of the welded joint

拉伸測試過程中，兩板在局部有效連接區域發生相互“拉扯”導致對應區域出現塑性變形，形成了“撕裂棱”，其焊接斷面出現了大量的韌窩，焊接接頭達到可靠連接。

拉脫力都滿足指標要求（如圖7 所示），說明焊接接頭良好。可看出各接頭拉伸強度在61～90 N之間，從力學強度分析鍍銀編織銅-銅箔采用超聲焊接工藝穩定，焊接后拉斷強度與超聲波參數關聯性較小。從圖中發現，有些拉力值較小，這是因為焊接時沒有對準導致焊接面積減少，所以采用超聲焊接的參數可調范圍較大。

圖7 焊接接頭拉脫力性能測試結果Fig.7 Test results of the tensile property of the welded joint

3 有限元仿真

3.1 超聲波焊接接頭模型設計

利用Abaqus 有限元軟件，建立考慮金屬塑性流動和強化、完全熱力耦合的差厚銅板超聲波焊接模型。模型采用中心插分的顯示算法，可以解決焊接過程中由于多界面接觸造成的計算收斂問題。

3.1.1 有限元模型建立

超聲波焊接中金屬板界面高速摩擦，產生大量的熱量。模擬超聲波焊接過程如圖8 所示，可以合理地將其分為4 個階段：第1 個階段是施加預壓力夾緊的階段。此階段焊頭下降，施加一定力于銅板上表面，并保持一段時間。這個階段包括焊頭和銅板的接觸和接觸壓力從零到最大的過程。第2 個階段是最重要的焊接過程，期間焊頭以超聲波頻率（20 kHz）振動，并帶動銅板一起振動，在銅板之間的界面產生摩擦生熱和材料的塑性流動，并最終形成焊接接頭。這個過程在有限元計算中采用完全熱力耦合的方法，邊界條件設置盡可能與試驗條件一致。第3 個階段是保壓階段，期間焊頭不再振動但保持施加的壓力不變。第4 個階段為卸載階段，期間焊頭上移，與銅板脫離。

圖8 超聲波焊接過程Fig.8 Ultrasonic welding process

采用庫倫摩擦（Coulomb friction）模型表征金屬接觸面之間的相互摩擦作用，Abaqus 模型和網格如圖9 所示。

圖9 焊接結構總體網格Fig.9 General grids of the welding structure

3.1.2 熱力耦合算法與邊界條件

建立考慮材料塑性流動和強化的有限元模型。超聲波焊接中金屬有較高溫度和高應變率，其彈塑性本構模型中必須將應力、應變率和溫度聯系起來。因此，建立Johnson-Cook 強化模型以反映材料的應變硬化、應變率硬化和溫度軟化，如下式：

式中：A、B、n、C、m為材料參數，通過試驗確定；σ0為von Mises 流動應力（flow stress）為等效塑性應變；為應變率；為參考應變率；當時，A即為材料的靜態屈服應力為無量綱化的溫度，

式中：θr為室溫；θm為材料的熔點。

Johnson-Cook 本構模型中塑性流動沿著屈服面的法線方向，并采用Mises 屈服面。材料高應變率的變形過程中塑性功轉化為熱流qd：

3.2 仿真結果

3.2.1 溫度場分析

超聲波焊接過程中，焊頭帶動上層金屬板運動，在金屬板界面之間形成摩擦，并產生大量的熱量。同時，焊接過程也是金屬材料在大應變率下的變形過程，期間由于塑性變形也會有熱量的生成。熱量生成導致材料溫度升高，并進一步影響材料的力學行為和焊接過程，所以需要對超聲波焊接過程中的溫度場進行分析。

焊接完成后的溫度場分布如圖10 所示，其最高溫度為72.2 ℃，遠遠低于銅的熔點溫度，所以超聲波焊接屬于固相連接。其中，圖10（a）為結構整體的溫度場分布，可以看出溫度較高的區域集中在焊接區域，遠離焊接區域的焊頭、焊座和銅板溫度較低，且上下兩層銅板非焊接區域的溫度基本對稱。圖10（b）和圖10（c）分別為上層和下層銅板的溫度分布，可以看出兩層銅板在焊接區域溫度分布并不均勻，高溫區域偏向于超聲波振動開始的方向，且在部分位置較為集中。這是因為焊接結構屬于搭接的形式，其幾何形式和邊界條件關于中心區域并不對稱，有一定的偏離。超聲波振動開始后，這種偏離會由于焊頭振動的不對稱性而加劇，并最終導致部分位置的溫度、應力、應變等變量的集中現象。

圖10 超聲波焊接溫度場分布Fig.10 Temperature field distributions of the ultrasonic welding

3.2.2 應力場分析

超聲波焊接所使用的焊頭并不是平整的表面，其與金屬板接觸的部分是縱橫交錯的梯形狀的凸起陣列。在施加壓力后，金屬板表面不同部位受力并不均勻，焊齒下區域受力較大。

焊接完成后上、下銅板的應力云圖如圖11 所示?？梢钥闯?，上層銅板與焊頭的焊齒接觸的部位所受壓力較大，在振動的過程中由于摩擦產生的剪應力也較大，并產生較大的塑性應變和流動，即為超聲波焊接接頭形成的主要原因。下層銅板由于遠離焊齒，其表面應力分布相對均勻，且應力和變形相對較小。

圖11 超聲波焊接應力分布Fig.11 Stress distributions of the ultrasonic welding

3.2.3 接觸面分析

超聲波焊接的接頭在金屬板之間的接觸界面形成，接觸面積的大小和接觸壓強分布直接關系到最終形成的接頭強度。有限元計算得到的銅板接觸面的接觸壓強分布如圖12 所示（因為接觸力為相互作用力，大小相等方向相反，所以僅取一個表面進行分析）?？梢钥闯?，超聲波焊接完成后，金屬板的重合區域并沒有形成全部的接觸，而只是形成了較為分散的接觸區域，集中在焊齒下部位。形成接觸的區域壓強分布偏差較大，最大壓強達到了331 MPa，表明形成了良好的接觸，而有些區域接觸壓強較小，表明并沒有形成良好的接觸。

圖12 銅板接觸表面接觸壓強分布Fig.12 Contact pressure distribution on the contact surface of the copper plate

為進一步分析接觸面情況，對結構沿垂直于超聲波振動方向進行剖開，剖開后的斷面如圖13 所示。在圖13 中綠色的方形框內金屬板之間接觸良好，形成了良好的焊接接頭；而藍色的橢圓形區域內金屬板之間則有較大的間隙，并沒有形成接觸，而是產生了大量的空穴；其余區域金屬板之間雖然形成了接觸，但由于接觸力較小，并不足以形成良好的接頭。焊頭高低不平的幾何形狀導致金屬板接觸界面形成復雜的正應力和剪應力，在高頻的超聲波振動作用下，接觸界面金屬的塑性流動呈現出不規律性。

圖13 垂直振動方向截面變形圖Fig.13 Section deformation diagram in the direction of vertical vibration

3.2.4 有限元結果結論

銅板超聲波焊接過程中最高溫度為72 ℃，遠低于銅的熔點，所以超聲波焊接為固相連接；由于焊頭特殊的幾何形貌，焊齒下的銅板接觸面產生一定的應力集中；銅板之間接觸面的接觸壓強和接觸面積會直接影響接頭強度，接觸面在壓力和剪應力作用下發生復雜的塑性流動。

4 結束語

1）采用超聲波焊接實現了薄壁銅層與鍍銀編織銅的焊接，焊點連接面處組織致密，無明顯缺陷。

2）試驗結果和仿真結果得出焊點連接處由Ag和Cu 元素組成，焊接溫度遠未達到母材熔點，為低溫連接行為，其連接機理為塑性變形實現擴散連接。

3）試驗結果表明，焊接能量120 J、0.276 MPa參數下，母材拉脫力可達到90 N。