存储参数与表面状态对铝绞线超声波焊接行为及力学性能的影响机制研究

《Welding in the World》：Effect of storage parameters and surface state on the ultrasonic welding behavior and mechanical properties of aluminum stranded wires

为解决铝绞线在存储过程中因表面污染和氧化导致的超声波金属焊接(USMW)性能下降问题，研究人员系统研究了温湿度等存储参数对焊接界面氧化物形态及力学性能的影响。通过XPS、SEM和激光振动分析发现，湿度是主导表面氧化层结构与焊接质量的关键因素，虽所有焊缝均满足DIN标准，但高湿环境导致力学性能显著波动。该研究为工业存储环境控制和焊接工艺优化提供了重要依据。

　　

随着电动汽车和轻量化结构的快速发展，超声波金属焊接（Ultrasonic Metal Welding, USMW）作为一种固态连接技术，因其低热输入、无熔化和高效等特点，在铝-铜异种材料连接中展现出独特优势。特别是在汽车线束制造中，铝绞线替代铜线可减轻40%的重量，从而降低能耗和碳排放。然而，铝材料表面易形成天然氧化层（Al₂O₃，厚度约2-4 nm），且在存储和运输过程中可能受到环境污染物（如油脂、灰尘）的进一步污染，这些表面状态变化会显著影响USMW的焊接质量和接头可靠性。尽管现有研究已关注到氧化层和污染物的负面影响，但对于多股铝绞线在动态存储条件下的焊接行为演变机制仍缺乏系统认知，尤其是温湿度协同作用对氧化物形态及焊接界面活化过程的影响尚不明确。

为深入探究这一问题，研究人员以50 mm2截面积的聚乙烯绝缘铝绞线（FLA-LR2X型）和镀镍铜端子（Cu-ETP1）为研究对象，设计了控温控湿的存储实验（高温高湿：60°C、95% RH；高温低湿：80°C、15% RH），结合X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、激光振动测量和力学性能测试，系统分析了存储参数对表面氧化物化学状态、形态特征及焊接接头力学性能的影响。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   控温控湿存储实验：使用气候模拟舱（V?tsch VC 4018）精确控制温湿度，累计存储时间最长189天；
2. 2.
   超声波焊接工艺优化：通过实验设计（DoE）确定最优参数（能量7000 J、振幅33 μm、压力1.2 bar），并以初始状态样品为基准；
3. 3.
   表面化学与形貌分析：采用XPS深度剖析（Ar+离子蚀刻）定量氧化层成分与厚度，SEM观察表面氧化物形态；
4. 4.
   焊接过程监测：使用多普勒激光振动仪同步测量焊头、砧座和线束的振荡行为，分析焊接初始阶段的能量耦合与摩擦特性；
5. 5.
   力学性能评价：通过拉伸试验（Zwick/Roell ProLine）测定接头抗拉强度，以DIN标准（≥1650 N）为合格阈值。

3 Results and discussion

焊接性能与存储条件的关系

所有存储条件下的焊接接头均满足DIN强度要求（>1650 N），但高温高湿（60°C, 95% RH）存储21天后，抗拉强度从初始的3795±87 N下降至2677±434 N，且随存储时间延长性能波动增大；而高温低湿（80°C, 15% RH）存储189天后性能仍与初始状态相当。表明湿度而非温度是导致性能退化的主导因素。

表面氧化层的化学与形态特征

XPS分析显示，高湿环境下铝表面氧化层比例显著增加（达96.08%），且深度剖析表明其外层存在部分结晶化的伪勃姆石（AlO(OH)）相，阻碍离子蚀刻进程；而低湿环境下氧化层比例仅增6.33%，且形态与初始状态相似。SEM进一步证实，高湿样品表面出现随机分布的板状氧化物聚集体（尺寸达数百微米），伴有缺陷和孔隙；低湿样品仅见少量孤立氧化物颗粒。

焊接动力学与振动行为

高湿样品在焊接初始阶段（前100 μs）表现出更快的振荡振幅上升（15 μs内达峰值）和更高的功率输入，源于氧化物颗粒增加的界面摩擦系数；但后期功率输入降低，总焊接时间延长150-200 ms。振动分析表明，高湿环境下砧座振荡的20 kHz基频成分快速上升，而低湿与初始状态样品需70-80 μs达到稳定振幅，印证了界面滑移减少和早期能量耦合增强的特征。

4 Conclusions

本研究通过系统实验证实，存储湿度是影响铝绞线USMW性能的核心因素：高湿（95% RH）环境促进表面氧化层从无定形Al₂O₃向结晶化水合氧化物转变，形成多孔板状聚集体，虽通过增加初始摩擦热加速材料软化，但阻碍 strand间金属键合，导致接头强度下降和性能波动；低湿（15% RH）环境则几乎无负面影响。尽管所有接头均满足工业标准，但研究强调了存储阶段环境控制对焊接稳定性的重要性，并为制造商优化 wire 生产工艺和存储条件提供了理论依据。该成果发表于《Welding in the World》，由德国开姆尼茨工业大学、弗劳恩霍夫应用聚合物研究所及Polytec GmbH合作完成，得到了德国焊接学会（DVS）及联邦经济事务与气候行动部的资助。