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基于ABAQUS的多层铜铝超声金属焊接过程

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焊接 2021年第10期 38-42,63页

作者：张选峰安纯尧苏含玉李喜峰上海大学上海200072

针对叠片工艺软包电池极耳采用多层同种金属与单层异种金属超声焊接的过程,使用Abaqus/Explicit软件结合实际焊头振动数据,并考虑多层界面的摩擦系数变化规律,建立了二维多层铜铝超声波焊接有限元分析模型,分析超声波多层铜铝金属焊接... 详细信息

针对叠片工艺软包电池极耳采用多层同种金属与单层异种金属超声焊接的过程,使用Abaqus/Explicit软件结合实际焊头振动数据,并考虑多层界面的摩擦系数变化规律,建立了二维多层铜铝超声波焊接有限元分析模型,分析超声波多层铜铝金属焊接行为。并与红外摄像仪测量的焊接温度和焊接界面截面金相对比。结果表明多层铜铝进行超声波焊接时,摩擦热与塑性变形热为超声波焊接过程中主要的热量来源,焊接塑性形变在达到一定状态会剧烈增加,多层铜铝异种金属焊接时,塑性形变主要发生与铜片接触的铝片,模拟结果与试验结果吻合较好,对叠片工艺软包电池的极耳焊接试验具有一定的指导意义。

关键词：超声金属焊接有限元分析异种金属

基于过程信息的超声金属焊接质量评价方法研究

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基于过程信息的超声金属焊接质量评价方法研究

作者：崔晓宇华南理工大学

学位级别：硕士

超声金属焊接在锂电池制造行业广泛应用,但在实际生产过程中焊接接头质量易受到工艺参数、界面状态等多种因素影响,为保证产品质量稳定性,对焊接过程进行监测和评估是十分必要的。本文通过对焊接过程信息进行采集和深入分析,选择并提取... 详细信息

超声金属焊接在锂电池制造行业广泛应用,但在实际生产过程中焊接接头质量易受到工艺参数、界面状态等多种因素影响,为保证产品质量稳定性,对焊接过程进行监测和评估是十分必要的。本文通过对焊接过程信息进行采集和深入分析,选择并提取反映焊接质量的4个过程信息特征并建立其与焊接质量的映射关系,最终实现基于焊接过程信息的焊接接头质量评价。为获取焊接过程信息,本文针对M5000超声金属焊接平台建立超声金属焊接过程信息采集分析系统。利用Lab VIEW编写数据采集软件并结合数据采集卡以及多种传感器实现对超声电流、超声电压和工具头下压位移三种焊接过程信息进行采集、显示和记录;使用MATLAB软件实现焊接过程超声功率、超声频率的计算以及超声电流信号的小波包时频分析;通过拉伸试验对焊接接头的力学性能进行测试,以接头的最大拉伸强度作为评价接头质量的指标。对金属铜进行大量超声焊接实验,从焊接过程信息角度加深对焊接机理的认识,建立过程信息与焊接接头形成过程的联系。通过分析不同焊接压力、焊接时间和界面条件对焊接接头最大拉伸强度和接头失效模式的影响,探究不同焊接条件对焊接接头质量产生影响的原因。分析不同焊接质量接头的超声功率、工具头下压位移和超声电流的变化规律与特点,并根据分析结果针对以上三种过程信息共提取了11个与焊接质量相关的特征。通过分析所提取的信息特征与焊接接头质量的联系,最终选择了焊接过程总输入能量E、功率差值?P、工具头下压平均速度Vm、超声电流主频段能量比例w51共4个特征对焊接质量进行评价。基于RBF神经网络建立焊接接头强度预测模型,以所选择的四个信息特征作为神经网络的输入,焊接接头强度作为网络输出。使用180数据样本对神经网络进行训练和测试,建立信息特征与焊接质量的映射关系,实现基于焊接过程信息的焊接接头强度预测。

关键词：超声金属焊接焊接过程信息小波包时频分析焊接质量评价

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晶界偏析理论对超声金属焊接速冷现象的分析

河池学院学报 2008年第2期28卷 108-111页

作者：邓思文蒋华刚贺龙陕西师范大学应用声学研究所陕西西安710062

在阐述了金属超声焊接的原理特点、焊接过程和焊接工艺参数的基础上,利用晶界偏析理论分析了焊接粘合后,焊区快速冷却的现象.

关键词：超声金属焊接塑性形变超声波界面晶界偏析

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超声金属焊用智能电源关键技术研究

超声金属焊用智能电源关键技术研究

作者：罗锡棋杭州电子科技大学

学位级别：硕士

超声波金属焊接技术以其低能耗、高效率、清洁环保等优点得到了广泛的应用开发,而随着新能源汽车技术的发展,对于高稳定、高可靠快速电池组件焊接技术的需要也越来越迫切。目前国内大型的电动车电池焊接设备大部分是基于国外的必能信、... 详细信息

超声波金属焊接技术以其低能耗、高效率、清洁环保等优点得到了广泛的应用开发,而随着新能源汽车技术的发展,对于高稳定、高可靠快速电池组件焊接技术的需要也越来越迫切。目前国内大型的电动车电池焊接设备大部分是基于国外的必能信、海尔曼等的超声波电源技术,价格昂贵、维修成本高。据此本论文研究基于专用锁频芯片技术的金属焊机超声波电源:首先,针对传统超声波电源中频率跟踪速度慢和可靠性差的问题,本文设计了基于谐振频率锁频专用芯片的控制方案,采用单片机及外围辅助电路,实现了频率锁频智能控制模块,设计了对应的VCO电路。结合DDS技术,该模块能智能跟踪换能器的工作频率,改善了传统超声金属焊接电源的频率控制精度、跟踪速度和可靠性。设计的频率跟踪模块,在27～29k Hz频率范围内,频率跟踪时间达到33 ms以内。其次,针对换能器阻抗匹配以及频率跟踪过程中电压和电流波动大的问题,研究了一种新的匹配电路参数选取方案。通过对换能器的电学等效模型和匹配电路的建模,再对输入信号进行傅里叶变换分析,最后利用Matlab计算出不同匹配参数下换能器的电压、电流随匹配参数和工作频率变化的三维图。测试空载工作时其实际电压曲线与理论电压曲线的拟合优度R为0.74。针对传统超声波电源存在的焊接稳定性差的问题,设计增加了PFC电路和能量控制模式。该PFC电路能降低电网波动对超声振子输出功率的影响,并且在相同的负载下,输入功率可以提高79.9%,功率因素从0.642提高到0.992。为了实现能量控制模式,通过对比分析常用的能量计算算法,构建了焊接能量计算模型,据此,在硬件上针对性的设计了移相电路、乘法电路、滤波电路和直流偏置电路等,在软件主要采用了DMA存储技术。测试结果表明,该模型的相对误差波动在-2.28%～3.00%以内,在能量模式下工作,可以使超声焊接实际消耗能量的标准差从49.5降到12.4。最后,论文对基于锁频专用芯片的超声金属焊接电源方案进行了验证,首先对比测试了不同超声电源的性能。然后研究了双层0.3毫米厚紫铜片的焊接效果,通过剪切力和剥离力测量,试验研究了焊接压强、时间对铜焊接质量的影响。强度测试结果表明,基于优化控制方案的超声波金属焊接设备,焊接件的剪切力的标准差从112.5降到79.8,剥离力的标准差从41.8降到27.6。

关键词：超声金属焊接频率跟踪方案匹配电路方案能量计算模型超声波电源

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铝−镁异种合金板材超声焊接工艺

中国有色金属学报 2020年第12期30卷 2789-2797页

作者：曹秒艳田少杰胡晗房凯旋燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 燕山大学河北省轻质结构装备设计与制备工艺技术创新中心秦皇岛066004

以6061铝合金和AZ31B镁合金板材为研究对象,采用单一变量法展开铝−镁异种合金板材超声焊接试验(振动频率为20 kHz)。以焊接参数(焊接压力、振幅、时间、焊件厚度)为单独变量展开焊件力学性能测试和焊件界面微观形貌观测。结果表明:当焊... 详细信息

以6061铝合金和AZ31B镁合金板材为研究对象,采用单一变量法展开铝−镁异种合金板材超声焊接试验(振动频率为20 kHz)。以焊接参数(焊接压力、振幅、时间、焊件厚度)为单独变量展开焊件力学性能测试和焊件界面微观形貌观测。结果表明:当焊接压力小于0.3 MPa时,金属接触面之间摩擦热难以迅速生成,难以形成有效焊点;在以焊接振幅和焊接时间为单独变量的焊接试验中,当焊接振幅为8μm、焊接时间为0.75 s时,焊件力学性能最佳;但是随上述参数进一步增加,导致焊接能量过大反而造成焊接力学性能下降;焊件厚度对焊接接头力学性能影响规律与焊接压力、振幅、时间基本一致,在焊件厚度为0.3 mm时达到最佳焊接效果,参数过大或过小均不利于有效焊接的形成;在维氏硬度测试中发现焊接硬度呈现由中心区域发散式扩散的硬度分布规律;随着焊接压力逐渐增加,焊件界面微观形貌呈现不同阶段特征,当呈现波浪形特征时焊接效果达到最佳。

关键词：轻合金超声金属焊接力学性能微观形貌

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5A06铝合金超声焊接自冲铆接头失效机理

应用声学 2024年

作者：张昊晗张振赵伦许龙徐凡郭子鑫刘纪元张丽云南开放大学机电工程学院深圳职业技术大学超声技术研究所辽宁科技大学机械工程与自动化学院中国计量大学理学院

超声波金属焊接有助于提高自冲铆接头的力学性能。为探究超声焊接自冲铆接头的失效机理，制作两侧滚纹(USPR-A)、环形滚纹(USPR-B)两种超声焊接自冲铆接头，通过拉伸-剪切实验、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析，对接头断口形貌... 详细信息

超声波金属焊接有助于提高自冲铆接头的力学性能。为探究超声焊接自冲铆接头的失效机理，制作两侧滚纹(USPR-A)、环形滚纹(USPR-B)两种超声焊接自冲铆接头，通过拉伸-剪切实验、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析，对接头断口形貌、元素分布和相结构进行对比研究。结果表明：两种接头均在薄板连接处产生了固相焊，从而提高了自冲铆接头的力学性能；USPR-A接头与USPR-B相比，峰值载荷提高了25.4%，而失效位移和能量吸收分别降低了51.4%和36.7%。微观分析结果表明，USPR-A接头的密封性较好，氧元素渗入较少，而USPR-B接头由于氧化物沿着晶界析出，氧元素在铆钉孔附近含量增加，对接头的峰值载荷提升效果有限。以上结果说明减少氧元素的渗入能够有效提高自冲铆接头的焊接效果。

关键词：自冲铆接超声金属焊接滚纹失效形式微观形貌

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超声焊接全状态频率跟踪算法

应用声学 2024年第1期43卷 190-197页

作者：姚震罗子伦刘凯捷丁荣杰莫毅强何建乌斯别斯基·亚历山大广东工业大学广州510006 广州市科普超声电子技术有限公司广州510520 白俄罗斯国家科学院国际技术转移中心明斯克220012

超声金属焊接负载重且变化剧烈,易导致换能器出现无阻性点和电源频率误跟踪。基于梅森等效模型,提出一种能同时计算出谐振频率与反谐振频率,避免误跟踪的全状态频率跟踪算法。存在阻性点时,利用3个不同发波频率及其对应的相位差,算出跟... 详细信息

超声金属焊接负载重且变化剧烈,易导致换能器出现无阻性点和电源频率误跟踪。基于梅森等效模型,提出一种能同时计算出谐振频率与反谐振频率,避免误跟踪的全状态频率跟踪算法。存在阻性点时,利用3个不同发波频率及其对应的相位差,算出跟踪目标频率;当换能器处于无阻性点状态时,把跟踪目标变为相位差最小点,从而实现全状态频率跟踪。通过仿真软件对算法进行仿真,算法能有效避免误跟踪。焊接试验结果表明,能较易实现谐振频率和反谐振频率的频率跟踪,在无阻性点的工况下焊接过程平稳。

关键词：频率跟踪全状态控制误跟踪超声电源超声金属焊接

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非线性工作状态压电换能器匹配技术

应用声学 2023年第2期42卷 379-385页

作者：姚震莫毅强罗子伦何建雷广伟广东工业大学广州510006 广州市科普超声电子技术有限公司广州510520

针对压电换能器在大功率下存在复杂非线性而导致匹配参数难以优化的问题,以大功率超声金属焊接为例,通过采集测试焊接过程换能器两端电压的幅值与频率,建立换能器反谐振电阻与驱动电压有效值、频率之间的数学模型;提出基于反谐振电阻模... 详细信息

针对压电换能器在大功率下存在复杂非线性而导致匹配参数难以优化的问题,以大功率超声金属焊接为例,通过采集测试焊接过程换能器两端电压的幅值与频率,建立换能器反谐振电阻与驱动电压有效值、频率之间的数学模型;提出基于反谐振电阻模型的最优功率匹配方法,推导了匹配电感电容的计算公式。最后实验验证了数学模型的准确性,且当换能器输入功率在最优功率附近时,匹配网络电能传输效率最高。

关键词：压电换能器超声金属焊接反谐振电阻

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异种合金材料的超声焊接工艺及其机理研究

异种合金材料的超声焊接工艺及其机理研究

作者：林坤艺集美大学

学位级别：硕士

超声金属焊接的工作原理是在工件上施加压力以及高频剪切运动来实现材料间的固态连接,是一种高效、便捷的焊接加工技术。虽然超声金属焊接技术被广泛应用于工业领域,但目前对焊接接头的结合机理研究还存在不足。为了更好的运用这项技术... 详细信息

超声金属焊接的工作原理是在工件上施加压力以及高频剪切运动来实现材料间的固态连接,是一种高效、便捷的焊接加工技术。虽然超声金属焊接技术被广泛应用于工业领域,但目前对焊接接头的结合机理研究还存在不足。为了更好的运用这项技术,本文针对异种合金材料(锂电池金属极片0.1mm厚度的铝/镀镍钢片)进行超声焊接,对其结合强度和连接机理进行深入的研究。试验中,本文首先通过CETR型样品测试系统获得接头的剥离强度值,分别采用单因素变量法和正交试验法分析不同焊接工艺对接头强度的影响程度。随后,采用数字显微硬度计测量接头硬度值,获得不同焊接工艺对焊缝组织细化程度的变化规律;进一步采用分阶振幅与恒定振幅进行焊接试验,分析不同焊接模式对接头结合强度和表面形貌的影响作用。最后,利用3D激光扫描显微镜对焊缝组织进行观察并总结分析超声焊接接头的结合机理。结果表明,通过单因素分析得到三种焊接工艺参数(焊接时间、焊接振幅和焊接压强)对接头强度都有一定程度的影响,而正交分析得到焊接振幅对接头强度的影响最大。硬度测量得到焊接振幅对接头硬度的影响程度大于焊接时间,说明焊接振幅可提高金属晶粒的细化程度。采用分阶振幅可获得更高强度的焊接接头且其标准差小,减少了接头表面与工具头的粘附现象,剥离试验前的焊件表面相对平整,有效防止了较软金属产生裂痕。对焊缝微观组织形貌进行观察得到,超声焊接可破碎金属表面氧化膜且结合区未发现有严重的熔化现象,但其界面处的金属键合作用和物理冶金反应对接头的形成过程起了关键作用,是实现固相连接的基础。

关键词：铝/镀镍钢片超声金属焊接焊接工艺参数接头强度焊接机理