现代工业领域往往需要进行金属箔片之间的连接,如锂电池制造中的极耳连接、太阳能翼板中电池片的连接以及超声増材制造过程中箔片与底座之间的连接。这些连接对象具有厚度薄、材料异质的特点。超声焊接作为一种固相连接技术,与熔化焊方法相比,不易产生脆性的金属间化合物,且耗能少,焊接时间短。其适用于异质金属箔片之间的连接,成为目前锂电池制造过程中主要的连接方法。金属箔片超声焊接的接合区界面接合密度和强度是评价其连接质量的主要标准,二者均与焊接过程中的热力耦合行为,包括接合区界面摩擦和声致变形行为等密切相关。探究界面接合机理并进一步优化焊接工艺,建立在对热力耦合过程进行深入研究的基础之上。金属箔片超声焊接过程具有多能场耦合和多界面交互作用的特点。定量表征超声能场作用下的材料变形行为、超声振动对界面接触规律的影响是深入探究焊接过程热力耦合机理的基础。由于焊接过程的瞬时性和结构封闭的特性,通过实验方法难以对材料变形和界面接触规律进行系统研究。本文综合应用弹塑性力学、接触力学和摩擦学等基础理论及数值模拟和实验测试方法,以锂电池和太阳能翼板制造过程中常见的0.2 mm厚铜/铝超声焊接为研究对象,对焊接过程中接合区界面摩擦特性和声致变形行为进行分析,探究热力耦合作用下接头形成机理。具体研究内容包括:搭建超声振动辅助的实验系统,研究超声能场作用下材料的变形和温升行为,建立适用于超声焊接的金属材料本构模型;基于界面接触力学和摩擦动力学理论,分析超声振动对接触界面粘结-滑移规律的影响,并结合实验测量对焊接过程中接合区界面粘结-滑移转化时刻进行量化研究;综合以上分析,建立超声能场作用下的热力耦合数值模型,对超声能量传递规律、接合区界面摩擦和声致变形行为进行可视化分析,深入探究焊接过程的热力耦合机理;在此基础上,分析不同焊头形貌对接合区特征的影响,并结合实验方法对焊头形貌进行优选。本文具体研究内容如下:1)考虑超声软化效应的金属箔片本构模型分析超声能量对金属材料变形和温升行为的影响,推导温度解耦的超声软化本构模型;以纯铜和纯铝为研究对象,进行不同温度下的拉伸实验,获得材料的温度软化因子;搭建超声振动辅助的压缩实验系统,对不同压力和超声能量作用下的实验件变形、温升进行测量,建立实验件变形和温升与超声能量之间的关系。结合实验结果对温度软化效应进行解耦,获得超声软化因子,建立考虑超声软化效应的材料本构模型。对模型进行数值化实现,并与实验结果进行对比,结果表明:与传统本构模型相比,温度解耦的超声软化本构模型预测精度提高了16%。2)金属箔片超声焊接接合区界面接触规律基于摩擦学基本理论,推导超声振动对接触界面摩擦系数的影响规律;以超声振动作用下两层板接触为研究对象,确定接触界面粘结-滑移的判定准则,对界面摩擦生热行为进行探究;基于接合区界面受力形式和粘结-滑移判定准则,将其划分为塑性粘结区域和相对摩擦区域,并以此为基础建立考虑材料塑性变形的界面摩擦动力学模型,探究超声焊接过程中接合区界面的粘结-滑移规律;基于实验测量的实验件变形和界面摩擦特征,精确确定接合区界面的粘结-滑移状态转变时刻。研究结果表明,接合区界面塑性变形面积的增长促进了实验件之间的接合;焊接过程中接合区界面粘结-滑移演化规律呈现三个不同的阶段。3)金属箔片超声焊接热力耦合仿真研究基于上述研究结果,建立超声能场作用下的热力耦合有限元模型,对焊接过程中接合区界面摩擦、温升演化和声致变形行为进行系统分析。结果表明:焊接过程中塑性变形生热占总生热量的三分之一,为不可忽略的因素。接合区塑性变形在焊齿下区域较为集中,在压力和循环振动剪切力作用下,接合区界面形成机械嵌合,有利于提高接头强度;界面摩擦和声致变形行为相互耦合,声致变形行为促进了接合区界面的摩擦和塑性变形生热;界面摩擦引起温度升高,同样促进了接合区的声致变形行为。4)基于接合区特征的焊头形貌优选基于数值模拟结果,定性分析不同焊头形貌对界面摩擦和声致变形行为的影响,为焊头形貌优选提供指导方向。结合实验方法,定量分析焊齿面积和表面曲率半径对焊接过程接合区变形特征和力学性能的影响。结果表明,焊齿数量为9,表面曲率半径为225 mm时,焊齿下实验件厚度减薄较为均匀,接合区界面有效接合密度较大,接头承载能力达到优化值。综上所述,本文对金属超声焊接过程中接合区界面摩擦和声致变形行为及其耦合机理进行了系统研究,并基于接合区变形特征对焊头形貌进行优选,为超声焊接在金属箔片连接中的应用提供指导。