铜、铝合金广泛的应用于锂电池制造、电力电子、汽车及航空航天等领域。由于铜铝合金的高导电率和导热率,焊接比较困难。本文针对锂电池制造中极片–极片和极片–导电条大量使用超声波焊接的现状,采用大功率超声和电流辅助超声方式,进一步明晰Cu–Cu及Cu–Al焊接界面微观组织演变和力学性能,推动接头性能的改善。建立了包含过程信息检测与分析的大功率超声焊接系统和电流辅助超声焊接试验系统。该系统可以在超声能、热、力共同作用下实现超声焊接工艺,同时可以对超声焊接过程中换能器驱动信号、工具头位移及界面温度等信号进行采集,并研究了换能器有功功率、工具头位移及界面温度等焊接过程信息与界面连接行为演变的关系。采用上述试验系统对大功率超声焊接纯铜过程中界面的塑性流变行为及其对焊接接头力学性能的影响进行了研究。随着焊接能量的增加,界面连接区域塑性流动出现漩涡、峰、脊及类似Kelvin-Helmholtz不稳定波等现象,界面连接形态呈现为:局部微区连接→线状断续连接→平直窄带状连接→带状连接→波纹状连接→波浪状连接的演变过程;焊接接头拉伸强度随焊接能量的增加而增加,拉伸失效形式由界面分离断裂逐渐演变为焊接区域断裂;界面连接区域出现了动态再结晶现象,晶粒尺寸随能量增加而变大,焊接区域的硬度值均小于母材。基于焊接接头拉伸强度及焊接界面滑移动力学模型,分析焊接压力对焊接界面连接过程的影响。研究了焊接时间对Cu–Al超声焊接界面扩散行为及温度的影响。界面的温度随焊接时间的增加而增加,在焊接时间为0.7 s时,测得界面中心区域最高温度为510℃,低于Cu–Al共晶温度。焊接时间为0.3 s时,焊接界面出现扩散现象,随着焊接时间的增加,扩散层沿着界面快速生长,并逐渐变厚,通过EDS成分和XRD物相分析,扩散层主要由Cu Al2组成。与Cu–Al超声预焊焊接接头等温时效对比分析,发现超声焊接过程中界面间IMC生长速度远大于等温时效过程。当焊接时间增加到0.7 s时,在焊接区域边缘处观测到局部、不规则的凝固组织,分析显示在焊接界面边缘局部区域发生了α-Al+θ→L的共晶反应。焊接接头拉伸强度随焊接时间的增加呈现先增加后减小的趋势,拉伸失效特征均为界面分离断裂。针对微小有色金属零件超声焊接,由于工具头面积小,输入焊接区域能量不足的问题,结合电阻电焊技术,提出了电流辅助超声焊接工艺。设计了超声焊接电源整体方案,完成了主电路、控制电路及匹配电路的设计及计算,实现了超声振动信号的稳定输出。在此基础上采用2000 A直流逆变电阻电焊电源与小功率超声电源复合,建立电流辅助超声焊接系统,对Cu–Al电流辅助超声焊接进行了探索。实验结果表明,采用电流辅助超声焊接技术,Cu–Al焊接接头强度显著增加。同单一小功率超声焊接相比,复合焊接界面温度有显著增加,换能器的峰值功率明显增大,并随电流增加而增加;焊接界面出现扩散现象,扩散层厚度随电流增加而增大,当电流增加到1500 A时,界面出现熔化现象。通过对焊接区域电阻的分析显示,超声对电流的影响主要体现在焊接起始阶段,超声作用使界面接触电阻迅速减小并消失。