摘要：在铝片一铜管太阳能集热板超声波焊接试验的基础上．首先从弹塑性理论特别是铝的应力一应变曲线导出焊接区域主要发生塑性
变形，进而推导出焊接接头区域理论温度；然后通过人工热电偶试验测得铝片表面及铝片一铜管间的温度．再结合接头扫描电镜图片进
行验证，认为焊接接头的形成是由材料本身的塑性本质、一定的摩擦升温、工具头竖直方向压力3个因素共同作用的结果．整个过程使
接头区域材料发生充分的塑性变形，破坏并清除氧化物、油污，使焊件材料原子之间发生力的作用而形成金属键合。
关键词：铝片一铜管太阳能集热板；超声波焊接；焊接接头
中图分类号：tg453、9 文献标识码：a
当前金属管板式太阳能集热板大多采用铜管一铜片的组
合，这种组合虽然有利于材料的焊接， 易于制造，但成本较
高，不利于普及。而铝的密度小，价格比铜低，工业上经常用
铝代铜．因此用铝片代替铜片作为太阳能集热板的吸热板可以
大大降低成本。虽然铝的导热性能不及铜，但在材料很薄的情
况下并不影响整体效果．这种新的组合也是金属管板式集热板
的发展趋势。然而，铜铝属于不同种金属，它们之间存在电极
电势差，铜的线膨胀系数比铝的大0．5倍。再加上熔点的差异、
铜铝间易形成金属间化合物等原因．容易引起铜铝接头电化学
腐蚀，同时铜铝变形不一致也容易产生裂纹、夹杂层或出现脆
性金属间化合物等．这些缺陷将会降低接头强度。
为克服铜一铝焊接时所出现的缺点， 一般采用铜一铝压力
焊。如摩擦焊Ⅲ、超声波焊 ]、真空扩散焊 等焊接方法．获
得电气性能、抗老化性能、抗腐蚀性能、使用寿命都比较理想
的焊接接头。jiromaru tsujino ．tetsugi ueoka等日本学者
长期从事金属超声波焊接研究，对超声波焊接过程中的一系列
问题作了比较全面的探讨．如：频率和压力变化对焊接质量的
影响[31， 实测得到铜铝焊接温度超过436℃ ，同时对铜、铝、
金等金属的焊接性能进行了深入而细致的研究 ，认为超声波
焊接对各种塑性良好的金属材料来说，只要选择合适的设备和
工艺参数，都可能获得良好的焊接接头。james e krazanowski
通过透射电镜(tem)研究焊接区域组织。认为金属超声波焊
接机理是一个金属粘合的过程，而扩散和再结晶等物理冶金反
应在接头成形机理中并不起主要作用[9]。本文从铜铝材料性能
分析人手，推导焊接区域温度， 同时结合实测温度和焊接区域
收稿日期：2007—04—12：修回日期：2007—07—07
基金项目：广州市科技攻关重点项目(2002 z3一do101)
扫描电镜图片探讨铜一铝超声波焊接机理。
1 焊接试验及过程分析
超声波焊接设备包括：超声波发生器、换能器、聚能器
(变幅杆)和工具头等，如图l所示。焊接参数见表1。
图1 超声波焊接设备
表1 焊接参数
汽缸
动块
导轨
频率 功率 工具头转速 焊接压力 振幅 铝片厚度 铜管厚度
f／khz fi，kw (r·min-‘) p／mpa a／1．zm 占l／mm null
15 3 44—49 0．4 、 30 n2 1．0
铝片一铜管太阳能集热板的焊后样品如图2所示。
图2 铝片一铜管太阳能集热板焊后样品
welding technology vo1．36 no．5 oct．2007 ·试验与研究· 15
1．1 材料处理
铜和铝极易在空气中被氧化，在光亮清洁的表面就已经有
约200个分子厚度的氧化膜存在，而且氧化膜也是由晶体组成，
本身也存在不饱和的分子，能够吸引对称性较弱的极性分子
(如水分子、有机物分子等)，形成一层油污和水气膜，这些物
质的存在导致表面凹凸不平，使材料原子问距离增大，难于进
行焊接。
1．1．1 铜管表面套拉与翅化
根据金属超声波焊接机理，对材料表面要求高，针对上述
铜管表面状态，需要击碎、破坏、清除铜管表面油污及氧化膜
使其暴露出纯净的金属表面，主要有两步：
第一步，铜管的表面套拉，套拉过程如图3所示。
套拉方向
图3 套拉过程示意图
其作用有：①全面刮削铜管表面．比较彻底地破坏表面氧
化膜暴露出纯净的金属表面；② 由于进行的是冷加工．可以适
当提高铜管硬度，有利于随后的焊接及增加变形抗力以保证在后
续的挤压中维持圆管形状；③将铜管的直径缩口至需要的尺寸。
第二步，利用专用工具头，表面具有微翅结构，如图4a所
示，在铜管表面预先滚压一次，进一步破坏和清除待焊部位的
表面氧化膜。且在铜管表面加工出微翅结构，如图4b所示。
(b)铜表面微翅结构
图4 袭面有微翅结构的工具头及其预滚压铜管后形成的铜表面翅化结构
其作用主要有：①增大铝片和铜管的接触面积，增加机械
嵌合的可能性；②增大接触区域粗糙度，增大摩擦，增加析热
量，从而形成局部高温，有利于焊接；③ 破碎、清理旧表面，
振动滚压出新鲜表面，为金属键合形成接头提供条件。
1．1．2 铝片处理
铝片薄，只能用钢丝刷清除其表面氧化膜，使铝片与铜管
之间通过新鲜表面充分贴合，为原子力起作用提供条件。
1．2 焊接接头形成
铝片一铜管超声波金属焊接过程如图1所示，工具头在汽
缸压力作用下，其表面微翅压入铝片后与铝片发生摩擦．然后
带动铝片以频率，相对铜管振动，在铝片与铜管间剧烈摩擦，
焊接接头区域温度升高，材料发生塑性变形。材料塑性变形、
铝片与铜管间的高频振动摩擦、工具头竖直方向的压力三因素
共同作用，破坏并清除金属表面的油污和氧化物，使彼此的纯
净表面暴露并贴合，在贴合面形成牢固的接头。
2 焊接影响因素讨论分析与试验测定
超声波焊接振动幅度只有几 m到几十 m，而且铜铝的塑
性良好，其振动摩擦作用区域小，很难用直接测温法准确测定
焊接温度；而间接测温， 即通过分析焊接接头组织的扫描电镜
图片(sem)或透射电镜(tem)图片，根据接头组织推断焊
接过程所能达到的温度的方法也受到了限制，这是因为sem图
片难于准确判定组织结构，而tem样品难于制作。
由于测温方法上的限制，各研究者所得结果相差较大．使
得超声波金属焊接温度的作用成为一个有争议的问题，同时学
者对超声波焊接机理也有不同看法。本文先从理论推导出焊接
区域材料主要发生塑性变形而非弹性变形，后通过摩擦力做功
理论推导出焊接区域理论温度，同时通过人工热电偶试验测出
焊接区域实测温度，并结合试验测定焊接接头区域显微硬度．
综合分析超声波金属焊接机理。
2．1 焊接时材料的变形情况分析
从图4b材料表面翅化后形态可以看到．焊接区域铜管表面
产生很大的塑性变形，振动摩擦和材料塑性变形能够破坏、挤
压、清除金属表面氧化物和油污，这对超声波焊接是非常有利
的。
从图5a e 实测应力一应变关系曲线和图5b理论应力一应变
关系曲线可以看出，材料弹性应变小于0．5％ ，本文以0．5％计
算：
f=f ， (1)
式中：fn为材料厚度，1．2 mm；8为应变，o．5％。
可见， 弹性变形约为6 m，而工具头振动幅度a为3o
m，所以振动摩擦影响区域主要发生塑性变形， 这可以从图
4b的铜管表面翅化后的sem图片看出，工具头的纵向振动不但
16 ·试验与研究· 焊接技术 第36卷第5期2007年10月
在铜管表面压出新鲜表面，而且在纵向摩擦力的作用下，工具
头表面微齿挤出的材料被翻了过来，发生了大的塑性变形，这
对焊接是非常有利的。
量
-
z
b
0．002 0．004 0．006 0．008 0．010
6(％)
(a)工业铝实测应力一应变曲线
6(％ )
(b)铝等塑性材料理论应力一应变关系曲线
图5 工业铝的实测及理论应力一应变关系曲线
2．2 摩擦做功方程
由华南理工大学机械工程学院在超声波焊接方面的研究 11]．
可得到焊接区域的温升公式为：
at-4afw ~'at一
， (2)
cpn
式中，a为振幅，mm；f为频率，khz； 为能量吸收率，
为摩擦系数；p为压强，mpa；at为焊接时间，s；c为比热
容，j／(kg·℃)；p为材料的密度，g／cm ； 为受影响厚度，mm。
将公式(2)运用到铝片一铜管的超声波焊接，计算焊接
区域温度，由于铜管和铝片厚度小。其对密度、比热容等影响
非常小，所以铜片一铜管焊接和铝片一铜管焊接不会有非常大
的差异。假定焊接时摩擦振动影响区域厚度h是分别从焊缝向
铝片和铜管壁各取1／2 (即： = (0。1+0．5)mm=0．6 mm，即热
影响区为0．6 mm)， 同时铝密度2．78 g／cm ，约为铜密度8．96 g／cm
的1／3，铝的比热容为0．88 j／(kg·℃)， 而铜的比热容为
0．385 j／(kg·℃)．将比热容及密度也按比例折算为合成比热
容、合成密度。
由公式(2)得：
at-4afrtu~
．
at
一
． (3)
c1— 1-zhl一2
式中：c _2为材料