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超声复合焊接技术介绍
功率超声是超声学的一个分支学科，其频率范围从几千赫到几百千赫，功率范围从几瓦到几万瓦，它主要是研究超声能与物质的相互作用机制。超声波在物质中传播时会产生一系列独特的效应，如力学效应、热效应、化学效应和生物效应等，改变或加速改变物质的物理、化学和生物特性或状态。利用此效应可提高材料加工速率、质量和完成常规技术所不能胜任的材料加工与处理，因此，功率超声技术在机械、加工、表面改性、铸造和焊接领域有广泛的研究和应用。
超声波焊接是功率超声应用备受关注的领域之一。超声波在焊接领域的应用有两种方式：一种是将超声能转换为热能，实现材料连接；另一种是将超声能与焊接热能复合，改变普通焊接能源的特性，能够实现普通焊接难以达到的效果。超声波金属焊和超声波塑料焊属于前者，是焊接领域中最早利用超声波进行焊接加工的工艺方法，目前仍然广泛应用于电子封装和塑料加工领域。在普通焊接过程中引入超声能，形成超声复合焊接技术，属于后者，其中包括超声复合电弧焊、超声复合钎焊和超声复合搅拌摩擦焊，是近些年来受到同行普遍关注的焊接新技术之一。
超声复合焊接是20世纪末发展起来的，在焊接领域中应用越来越广泛。已有研究证明，将超声能通过焊接电弧或焊接件引入焊接熔池，可提高焊接效率，减少焊接气孔缺陷，通过细化焊缝组织，提高接头力学性能；将超声能引入钎焊过程，可取代钎剂实现绿色环保型焊接技术，同时可以实现普通钎焊难以完成的焊接过程；将超声能引入搅拌摩擦焊接过程中，可有效降低焊接载荷，通过再结晶细化焊缝金属晶粒，提高接头力学性能。目前，超声复合焊接技术已经应用于铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢及异种金属的焊接，以及陶瓷、玻璃、金属基复合材料等难焊材料的焊接。
尽管超声复合焊接诸多有益作用与效果已得到证实，但是，到目前为止，真正实现工业化应用与推广的技术仍然较少，其主要原因在于已有研究对声学参量如何与焊接工艺参数匹配，声能对熔池金属的物理、冶金和力学作用的机制研究不够深入，导致难以实现焊接工艺优化调控，对该方法能够达到的水平不清楚。其科学问题主要体现在以下几个方面：①超声场对焊接过程中气泡形成、晶体生长、动态再结晶、界面结合及润湿以及塑性流变的影响机制的分析不深入，已有研究大多是以焊接效果来推断超声的作用，缺乏声学参量与焊接效果之间内在本质关系规律；②声能输入焊接区域的作用通道及衰减规律未受关注。超声对水或水溶液的作用规律研究比较成熟。在焊接条件下，超声在固体材料、液/固界面、液态金属及等离子体中的传输、耦合、衰减等研究较少，在实际焊接中起作用的声能是未知的，这样就无法进行深入、准确的超声能作用规律研究；③超声场、焊接温度场与应力场力多场复合问题未得到重视。超声复合能场焊接涉及超声场、焊接温度场、应力场等多场复合作用，超声场的声学参数和焊接温度场、应力场的工艺参数之间的合理匹配与复合是该方法应用所面临的一个重要基础问题。
在焊接中施加超声能，其主要思想是利用声空化效应，提升传统焊接的能力与质量。在液固界面局部区域，声空化效应产生高温、高压、高射流，相当于制造了一个特殊的物理环境。从宏观上角度看，此效应未对焊接温度、焊接熔池或填充液态合金造成影响，但是，对焊缝金属结晶过程影响很大，目前已经实现焊缝金属中最常出现的粗大树枝晶可以改变为等轴晶，如何进一步调控凝固结晶过程使得焊缝金属晶粒更细，甚至产生微晶或纳晶，是该研究所面临的挑战。
无机非金属材料连接一直是焊接领域的难点，其核心问题是化学上的惰性导致其与金属极难键合，传统焊接方法的解决思路是：如陶瓷与金属的连接，通过活性元素与陶瓷产生的化学反应进行连接，界面往往生成脆性化合物，导致接头强度低。目前的研究结果已经证实，利用声能活化可以开辟另外一条新思路，同时也为难以连接的玻璃等材料的连接开拓了新途径，也是具有挑战性的一个方向。另外，在焊接过程中，利用声空化效应所制造的局部高温、高压、高射流，可以在更低的温度下进行焊接，对于通过热处理强化或形变强化的金属材料(又称热敏合金，对焊接温度极其敏感)，可避免力学性能的热损失问题，亟待开展广泛而深入的系统研究。
