超声波焊接ABS与激光刻蚀铝合金的界面特性及焊缝形成机理研究

为解决电动汽车轻量化中聚合物/金属异质材料可靠连接难题，研究人员通过超声波焊接(USW)技术成功实现丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)与激光刻蚀5052铝合金的高效连接。研究发现焊接时间存在最优值(1700 ms时强度达17.87 MPa)，并通过实验与有限元模拟揭示了焊缝形成的五阶段演化规律，为轻量化材料连接工艺优化提供理论依据。

　　

在电动汽车产业快速发展的背景下，结构轻量化成为提升续航里程和能源效率的关键策略。研究表明，车辆质量每减轻10%，续航可增加5.5%，能源效率提升约8%。然而，传统金属材料难以满足轻量化需求，而热塑性塑料虽具有密度低、比强度高等优势，却无法完全替代金属。这种矛盾催生了聚合物/金属异质材料连接技术的研发需求。当前机械紧固、胶接和焊接等连接方式各有局限：机械紧固引入额外重量，胶接工艺复杂且污染环境，而激光焊接、摩擦焊等技术或存在参数控制苛刻，或导致材料热损伤等问题。

针对这一技术瓶颈，来自湖南的研究团队在《Optics》发表论文，创新性地采用超声波焊接(USW)技术实现ABS塑料与激光刻蚀5052铝合金的可靠连接。研究通过设计焊接时间梯度实验(300-1900 ms)，结合有限元模拟和微观表征，系统分析了焊接参数对界面特性与力学性能的影响规律。关键技术包括：采用20 kHz超声波振动系统，设置0.16 MPa恒定焊接压力；通过扫描电镜观察断裂形貌；利用Abaqus软件建立热-力耦合模型；采用激光共聚焦显微镜测量表面形貌。

材料与方法
研究选用2 mm厚ABS板和1 mm厚5052铝合金，铝合金表面采用0.1 mm间距网格激光刻蚀预处理。通过拉伸试验机测定接头强度，结合红外热像仪监测温度场分布。

结果与讨论
Joint strength and microstructure for USW of ABS/Al
实验发现焊接时间存在阈值效应：低于300 ms无法形成有效连接，1700 ms时强度达峰值17.87 MPa，过量焊接(>1900 ms)导致ABS热分解使强度下降。断裂面呈现三种特征：轻微黑色痕迹、致密ABS残留和多孔ABS残留。

Numerical analysis procedure
有限元模拟揭示温度场演变规律：最高温度初始出现在ABS侧，随焊接进行向界面转移。振幅分析表明Phase Ⅲ阶段的振动特征与接头强度呈显著相关性。

Weld formation characteristics
研究首次提出五阶段焊缝形成模型：
Phase Ⅰ（适应期）：铝合金表面出现轻微黑色痕迹
Phase Ⅱ（非稳态接触期）：痕迹面积扩大且颜色加深
Phase Ⅲ（焊缝生长期）：ABS开始熔化并在铝板表面形成残留
Phase Ⅳ（塌陷期）：出现0.7 mm深的焊头压痕，多孔ABS大量生成
Phase Ⅴ（凝固期）：位移变化趋缓，接头完成固化

结论与意义
该研究建立了超声波焊接ABS/铝合金的工艺-结构-性能关系图谱，阐明焊接时间通过影响熔融聚合物渗透行为决定接头强度的机制。特别指出Phase Ⅲ是控制焊接质量的关键窗口期，为在线监测提供了理论依据。提出的五阶段模型突破了传统焊接过程"黑箱"认知，对开发新能源汽车轻量化部件连接新工艺具有重要指导价值。研究获得湖南省自然科学基金(2024JJ4019等)资助，相关技术已申请专利保护。