当前金属管板式太阳能集热板大多采用铜片—铜管的组合,这种组合虽然有利于材料的焊接,易于制造,但成本较大,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,再加上熔点的差异及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。 金属超声波焊接作为一种焊接方法可以用来解决上述问题,但是其过程非常复杂,直到目前为止,国际上尚未彻底弄清其焊接机理。 本文针对性地从超声波焊接区域温度、焊接区域微观组织结构及焊接区域应力应变等角度进行研究,并据此建立了符合本文分析结果的金属超声波焊接机理。 首先,通过多次反复实验,优化了超声波焊接参数,加工出质量可靠且稳定的样品,保证了后续研究的顺利进行。 其次,在使用优化参数的前提下进行理论计算、红外热像仪测温、热电偶测温及焊接区域金相显微组织分析定性地得出了焊接区域温度范围,为269℃～328℃,并未达到焊接低熔点材料的熔化温度,同时认为该温度仅是焊接区域的平均温度,而不是所有亚微观级微点的温度。 再次,从不同的角度研究超声波焊接区域的显微组织结构,由此分析出了金属超声波焊接的四个重要机理,那就是材料塑性变形、机械嵌合、金属“键合”以及原子扩散,并明确了它们之间的相互关系。 然后,通过有限元分析软件Marc模拟出了焊接区域的应力应变,进一步验证了焊接区域的巨大塑性变形,同时证明了超声波焊接对于连接铜铝两种材料既是可行的,又是有效的。 最后,基于以上所有研究分析结果建立了本文关于金属超声波焊接的焊接机理。认为这是焊接工具头静压力、焊接区域温升、材料塑性变形、机械嵌合、原子扩散渗透及其“键合”等多种因数综合作用的结果,并且这些因数之间也存在着相互作用,相互影响。