采用新型复合焊头在宽能量范围内实现铝/铜超声焊接的稳定强度

《Journal of Manufacturing Processes》：Achieving stable strength in Al/Cu ultrasonic welding across a wide energy range using a novel composite horn

　　

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  复合变幅杆在 100–800 J 范围内保持稳定的线性强度。
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  在 800 J 时，线性强度比传统变幅杆高出 40.1%。
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  使用复合变幅杆时，最大表观结合长度达到 582 μm。
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  广泛的表观 AlCu 过渡区显示出适度的空间变化。
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  连续的细化层伴随着相对均匀的局部取向差。

引言

在全球向可持续交通转型的推动下，电动汽车（EV）的迅速普及加剧了对高可靠性电池连接技术的需求。在动力蓄电池组中，电极、极耳和母排的连接质量至关重要，因为它直接决定了整个模块的电气效率和机械完整性 [1]。作为一种绿色高效的固态连接工艺，超声波金属焊接（USMW）已广泛应用于电池和电气应用中 [2]。通过避免整体熔化，USMW 减轻了融合相关缺陷，同时保留了低电阻和高接头强度 [3]，这使其特别适用于电池极耳连接中的异种 Al/Cu 组合 [4]。

然而，USMW 在电池制造中的实际应用仍然面临挑战，因为该工艺容易出现焊接不足和焊接过度。对于大容量储能设备中的多层金属箔接头，必须通过堆叠层传递足够的超声能量以激活结合界面。这使得避免界面结合不足和过度的局部变形或材料减薄变得更加困难 [5], [6]。因此，宽泛且稳定的加工窗口对于提高此类接头的可靠性至关重要。现有研究表明，在 Al/Cu 及相关超声波焊接中，随着焊接参数输入的持续增加，接头强度通常先增加后降低 [7]。Li 和 Cao [8] 报告称，压力不足会削弱界面变形和能量传递，而过大的压力会抑制试样振动并促进裂纹形成。同样，Yusefi 等人 [9] 发现，增加焊接时间可以提高结合密度和机械互锁，但同时会降低焊接后的有效厚度；一旦超过临界阈值，过度的减薄和软化将主导接头行为，焊接过度变得明显。除了参数不匹配外，Nong 等人 [10] 进一步表明，表面污染会降低摩擦能量传递并阻碍氧化物破碎，即使在名义优化条件下也会导致焊接不良。这些因素扰乱了超声波焊接过程中界面摩擦、局部加热、塑性变形和材料流动演变。界面变形不足或过度分别会导致焊接不足或焊接过度 [11]。

为了减少这些缺陷的发生，研究人员探索了中间层、预热和周期性附加力等辅助策略，以明确减轻焊接不足和焊接过度，同时保持 USMW 的固态特性。例如，Gu 等人 [12] 引入 Zn 中间层以填充界面空隙并抑制脆性 MgAl 金属间化合物的形成，从而同时避免焊接不足的间隙和焊接过度的脆化。同样，Luo 等人 [5] 对 Ni 镀层 Cu 接头应用预热，以加速原子扩散，这有助于实现牢固的界面结合，而无需通常触发焊接过度的过度超声能量。此外，Xu 和 Zhang [13] 采用周期性附加力来增强界面变形和元素扩散，有效解决了焊接不足，同时防止了焊接过度特有的工件严重减薄。总之，这些技术改善了特定条件下的接头质量；然而，它们也增加了工艺复杂性和成本，其有效性严重依赖于精确的工艺 - 材料匹配。

除了辅助策略外，变幅杆几何形状设计提供了调节界面能量输入和变形行为的另一途径 [14]。Watanabe 等人 [15] 的早期工作表明，曲面尖端比滚花平头尖端能减少表面损伤并产生更稳定的接头，表明圆形几何形状可以缓冲应力并缓解局部过载。后来，Feng [16] 证明矩形金字塔齿促进了明显的局部塑性变形和材料流动，从而增强了有效结合。最近，Thul 等人 [17] 进一步表明，金字塔特征促进了应变局部化，而半球形特征则减少并均匀化了接触应力。总体而言，这些研究表明，依赖单一几何特征的传统变幅杆设计不可避免地面临界面激活和损伤控制之间的权衡。

为了解决这种权衡，经验性地设计了一种由半球形过渡和子弹形突起组成的复合变幅杆。之前的研究表明，尖锐齿促进了局部界面激活和塑性变形，而圆形齿减少了应力集中并缓解了过度的局部变形。因此，复合结构旨在结合这些优点。子弹形突起将焊接作用集中在尖端附近，而半球形过渡则拓宽了接触区域并缓冲进一步的变形。与单一的光滑轮廓不同，突起与半球形基底之间的过渡引入了明显的曲率变化。这种变化预计会随着接触从突起扩展到半球形过渡，迅速降低局部集中作用，从而限制高能量下的过度材料减薄。初步焊接试验表明，该设计可以在研究的能量范围内产生良好的接头。因此，选择它与金字塔形和半球形变幅杆进行比较。尽管如此，当前的几何形状应被视为初始经验设计，而不是优化配置。曲率和其他几何参数的影响，包括与椭圆轮廓的比较，需要进一步研究。

因此，为了验证这一假设，在焊接能量为 100 至 800 J 的条件下，使用金字塔形、半球形和复合变幅杆对 1060 Al 箔和 T2 Cu 带进行了超声波点焊实验。为了直接比较变幅杆几何形状对变幅杆侧材料变形和界面演变的影响，采用了一层 1060 Al/T2 Cu 搭接接头。接头搭接剪切强度、界面形貌、元素扩散行为和微观组织演变通过机械测试、SEM、EDS 和 EBSD 进行了系统表征。这种比较阐明了变幅杆设计在调节界面变形和结合行为中的作用。它还评估了所提出的复合变幅杆在改善薄异种 Al/Cu 接头方面的潜力。

章节摘要

材料和设备

商用 1060 纯铝箔厚度为 0.3 mm，T2 纯铜带厚度为 0.8 mm，用作基材。两种材料均被切割成尺寸为 100 mm × 25 mm 的试样。它们的典型力学性能和电导率总结在表 1 中。焊接前，配合表面在无水乙醇中进行超声清洗以去除表面污染物。采用单层搭接接头配置，其中

拉伸剪切性能

图 2 显示了使用复合、半球形和金字塔形变幅杆焊接的接头平均线性强度随焊接能量变化的变化情况。金字塔形变幅杆在 100 J 时表现出最高的平均值，但标准差相对较大。随着能量输入的增加，其线性强度显著下降。半球形变幅杆在 100 J 至 600 J 期间保持相对稳定的强度，随后在 800 J 时出现明显下降。相比之下，复合

结论

研究了变幅杆几何形状对超声波焊接 Al/Cu 接头界面结合行为和机械性能的影响。提出了一种具有半球形基底和子弹形突起的复合变幅杆，并与传统的金字塔形和半球形变幅杆进行了比较。主要结论如下。

变幅杆几何形状强烈影响 Al/Cu 超声波焊接的能量适应性。在 100 J 时，金字塔形变幅杆表现出略高于

CRediT 作者贡献声明

闫芳：写作 - 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。 杨福永：写作 - 审查和编辑，监督，概念化。 曹巨勇：写作 - 审查和编辑，监督，项目管理。 王英：写作 - 审查和编辑，验证，资源。

资助

本研究未收到来自公共、商业或非营利领域资助机构的任何特定资助。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

闫芳 | 杨福永 | 曹巨勇 | 王英