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超声波焊接接头性能及焊接机理

接头性能及焊接机理
超声波焊接的接头具有良好的力学性能。由于焊点强度目前尚无专用的标准,因而焊点的抗剪强度通常是与电阻点焊的抗剪强度相比较。在一般情况下,超声点焊的焊点强度比电阻点焊的焊点强度最低标准值高一倍左右。
几种超声点焊的铝合金焊点的抗剪强度数据如表16-10所示。
超声波点焊铝合金焊点的抗剪强度
如果焊点的疲劳强度与电阻点焊比较,则超声波点焊接头的抗疲劳性能也优于电阻点焊。铝合金(2024-T3)焊点的疲劳强度如图16-29所示。
铝合金(2024-T3)焊点的疲劳强度
超声波点焊的焊点抗剪强度的重复性特别好,焊点的平均剪力变化值小于10%。
超声波焊缝的接头强度对厚度小于0.5mm以下的薄板而言一般为母材强度的85%~100%。
由于超声波焊接头的母材未发生过熔化,因而焊点在耐介质腐蚀性能方面与母材几乎没有差别。
超声波焊的焊点表面通常比较粗糙,这是上声极与焊件表面之间相对摩擦的结果。如果焊接工艺参数及声极选择不当,焊点四周可能出现翘曲皱缩,甚至发生焊点周围区母材表面的破坏。
超声波点焊的焊点显微组织通常与母材呈相同的组织状态,这是固态焊最主要的特征。纯铝焊点组织如图16-30所示。通过金属截面间摩擦所破坏的氧化铝膜以旋涡状被排除在焊点四周,在结合面上没有熔化的迹象,但出现了局部再结晶现象,图16-30中的强烈塑性流动的形貌是超声波焊接接头组织的共同特征。
表面有包铝层的铝-铜合金可以在不破坏包铝层的情况下直接进行超声波点焊,这将有利于改善焊点的耐腐蚀性能。表面有包铝层的铝铜合金超声波点焊的焊点显微组织如图16-31所示。
纯铝焊点的显微组织 表面有色铝层的铝铜合金焊点的显微组织
至此,超声波焊接的机理可综述如下:
超声波焊接接头的形成主要归因于振动剪切力、静压力和焊区温升三个因素的作用,焊接过程可细分为三个进程:
1.摩擦;超声焊时,首先由于超声振动而在焊件间产生摩擦,其相对摩擦的速度与摩擦焊时的摩擦速度相近,只是振幅仅为几十微米。此时,焊件表面残留的氧化物等杂质被从焊件表面排除,两母材以洁净的金属表面相互紧密接触。
2.应力及应变作用;从光弹应力模型可见,切应力的方向每秒可变化几千次,这种应力作用特征也是引起摩擦进程的起因。在促成母材间发生局部连接后,这种振动的应力和应变将为进一步形成金属间冶金结构创造条件。
在上述进程中,由于局部表面滑移及塑性变形,焊区的局部温度升高,经过测定,焊区的温度约为金属熔点的35%~50%。
3.冶金结合;在上述进程中,焊区金属可发生相变、再结晶、扩散及金属间的键合等冶金现象,这已为光学显微镜和电子显微镜对焊缝进行检测分析结果所证实。


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