分享：端子表面粗糙度對超聲波焊接端子接頭拉伸性能的影響

0.   引　言

新能源汽車電路系統(tǒng)通過線束連接各類電子元件以傳輸信號，導線連接技術在保障系統(tǒng)可靠性與性能優(yōu)化中起著關鍵作用[1]。傳統(tǒng)導線連接技術包括壓接、釬焊和激光焊接等，但壓接的力度不易控制，而釬焊和激光焊接接頭中不可避免地產(chǎn)生氣孔和夾渣等冶金缺陷。相比之下，超聲波焊接作為一種固相連接技術，具有接頭性能好、焊接效率高等優(yōu)勢，且焊接過程無火花、煙塵等污染[2]，已廣泛應用于汽車線束的連接。 

端子是將導線與其他電氣元件相連的關鍵部件，高質(zhì)量的線束/端子連接能夠確保電流的高效傳輸，減少連接處的接觸電阻，有效降低能量損耗，實現(xiàn)車載系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作[3]。新能源汽車中的線束和端子一般采用銅材料，目前有關銅線/銅端子的超聲波焊接研究相對較少，已有少量研究主要集中在焊接工藝參數(shù)（焊接能量、焊接壓力、焊接振幅）對接頭成形質(zhì)量和力學性能影響方面[4-5]。研究[6]發(fā)現(xiàn)，在超聲波焊接銅板時，輕微打磨銅板表面可以增加銅板之間的接觸面積，對焊接質(zhì)量有積極影響，但過高的表面粗糙度會阻礙待焊接表面的相對運動，造成凸體機械互鎖或微焊接，影響焊接質(zhì)量。此外，在較短的焊接時間內(nèi)，表面光滑的銅板間具有更大的接觸面積分數(shù)與更高的結(jié)合強度[7]。目前，未見有關端子表面粗糙度對超聲波焊接銅線/銅端子接頭力學性能影響的研究報道。作者以EVR25 mm2銅線/T2紫銅端子超聲波焊接接頭為研究對象，利用砂紙打磨端子表面以獲得不同的表面粗糙度，研究了端子表面粗糙度對接頭拉伸性能的影響，以期為提升新能源汽車線束/端子連接的可靠性及優(yōu)化超聲波焊接工藝提供試驗參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為EVR25 mm2銅線和T2紫銅端子。在EVR25 mm2銅線上截取長度為200 mm的銅線，按照SAE/USCAR-45 Performance Specification for Welded Wire-to-Wire Splices剝?nèi)ヒ欢私^緣材料，露出直徑為5.64 mm、長度為18 mm的銅線；T2紫銅端子的尺寸為30 mm×20 mm×3 mm。分別使用60#、120#、320#、800#和2000#碳化硅砂紙沿長端方向?qū)Χ俗颖砻孢M行反復打磨，直至表面全部露出金屬光澤，使用SF-210型分體式表面粗糙度測量儀測得打磨后端子表面粗糙度分別為1.80，1.15，0.62，0.36，0.14 μm。 

采用HMS-D00型超聲波端子焊接機對銅線和端子進行焊接，采用單一變量法，固定條件為焊接壓力0.3 MPa、焊接振幅80%、焊接能量4 000 J。按照圖1所示放置銅線和端子，兩塊頂塊對線束施加夾緊力，使裸露的銅線固定在端子上。超聲設備產(chǎn)生的大量振動能量沿切向傳入焊件表面，促使焊頭、銅線和端子之間發(fā)生相對摩擦，以清除金屬表面的氧化物和污染物；在焊接壓力的作用下，銅線和端子緊密貼合，界面發(fā)生塑性流動、冶金反應以及動態(tài)再結(jié)晶等一系列過程[8]，最終實現(xiàn)固態(tài)連接。 

圖  1  焊接示意

Figure  1.  Welding diagram

沿接頭橫向線切割出截面試樣，用砂紙打磨、拋光后，置于乙醇溶液中超聲清洗15 min，采用KlyM-45BS型光學顯微鏡（OM）與Phenom XL型掃描電鏡（SEM）觀察接頭截面組織和形貌，采用Python軟件對接頭的孔隙率進行統(tǒng)計。按照SAE/USCAR-45，采用HZ-1010A型萬能拉力試驗機對接頭進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為100 mm·min−1，進行5次平行試驗，取試驗結(jié)果的平均值；采用SEM觀察接頭斷口形貌。 

2.   試驗結(jié)果與討論

2.1   成形質(zhì)量

由圖2可以看出，接頭銅線中的銅絲之間以及銅線/端子界面處的孔隙均較少，說明這些區(qū)域結(jié)合緊密。焊接時銅線靠近焊頭，在超聲振動和壓力的作用下，大量的動能被轉(zhuǎn)化為銅絲之間的鍵合能，頂部銅絲最先從黏-滑狀態(tài)變?yōu)轲顟B(tài)[4]，形成了穩(wěn)定的原子間鍵合；同時振動向下傳播，在靠近端子處振幅急劇衰減。因此，接頭銅線內(nèi)部形成了“上緊密、下寬松”的結(jié)合形式。砂紙打磨使得端子表面形成了很多微凸起和凹陷，與銅線接觸提供了更多的接觸點和接觸面積[6]，有利于形成更強的機械錨定效果，因此銅線/端子界面處結(jié)合緊密。當端子表面粗糙度為1.80，1.15，0.62，0.36，0.14 μm時，接頭的孔隙率分別為11.76%，10.75%，9.70%，9.25%，8.15%，可見隨著端子表面粗糙度的降低，銅絲之間以及銅線/端子界面處的孔隙減少，成形質(zhì)量提高。 

圖  2  不同端子表面粗糙度下接頭的截面OM形貌

Figure  2.  Section OM morphology of joint under different terminal surface roughness

由圖3可以看出：當端子表面粗糙度為1.80 μm時，接頭銅線/端子界面處存在連續(xù)且較長的焊接孔隙，這種缺陷會使接頭在受到拉力時快速失效，對接頭的穩(wěn)定性造成不利影響，同時界面附近的銅絲之間的結(jié)合形式主要為線連接；當端子表面粗糙度為1.15，0.62 μm時，銅線/端子界面處孔隙較多且相對密集，界面附近銅絲之間的結(jié)合形式為點連接與線連接；當端子表面粗糙度為0.36，0.14 μm時，銅線/端子界面處的孔隙明顯減少，界面附近銅絲之間的結(jié)合形式為線連接與面連接。砂紙打磨使端子表面形成大量均勻分布的微凸起，在焊接時焊頭的超聲振動作用下銅線與端子表面微凸起發(fā)生滑動摩擦，界面區(qū)域溫度升高并產(chǎn)生超聲軟化效應；同時銅線與端子界面產(chǎn)生劇烈的塑性變形，銅線表面氧化層破碎，此時界面處于相對黏-滑狀態(tài)；隨著焊接的進行，端子表面的微凸起在剪切應變作用下逐漸被去除，界面塑性變形產(chǎn)生的大量位錯導致銅金屬發(fā)生再結(jié)晶而形成細小的等軸晶[9-10]，這些等軸晶在焊接能量作用下逐漸長大，使得銅線與端子間形成穩(wěn)定的冶金結(jié)合，焊接界面進入黏滯狀態(tài)。塑性變形和元素擴散是提高接頭成形質(zhì)量的關鍵[11]。當端子表面粗糙度較高時，表面微凸起尺寸更大，更有利于銅線表面氧化層的破裂，界面產(chǎn)生的塑性變形更加劇烈，但尺寸較大的微凸起在黏-滑狀態(tài)下需要更久的焊接時間才能去除[7,12]，這會影響界面元素的擴散，導致銅線與端子處于黏-滑狀態(tài)的時間更久。當端子表面粗糙度較低時，較小的微凸起使得原子擴散更加充分[11]，界面更快速地進入黏滯狀態(tài)，這有利于動態(tài)再結(jié)晶行為的發(fā)生，因此接頭成形質(zhì)量更好。同時，銅線與端子更早地進入黏滯狀態(tài)有利于促進界面附近銅絲之間摩擦，使銅絲間的結(jié)合更加充分。因此，隨著端子表面粗糙度的降低，超聲焊接銅線/紫銅端子接頭的成形質(zhì)量提高。 

圖  3  不同端子表面粗糙度下接頭銅線/端子界面處的SEM形貌

Figure  3.  SEM morphology of interface between copper wire and terminal in joint under different terminal surface roughness

2.2   拉伸性能

由圖4可以看出：在拉伸試驗過程中，隨著位移增加，載荷增大，此時接頭處于彈性變形階段；當載荷增至峰值后發(fā)生斷崖式下降，說明此時接頭開始失效。當端子表面粗糙度為0.36，0.14 μm時，載荷斷崖式下降至一定值后下降趨勢減緩甚至出現(xiàn)小幅提高的現(xiàn)象，這可能是因為接頭斷裂前發(fā)生一定的塑性變形。當端子表面粗糙度為1.80，1.15，0.62，0.36，0.14 μm時，接頭在拉伸過程中的平均峰值載荷分別為2 888.68，3 157.69，3 290.32，3 408.73，3 756.41 N，可知隨著端子表面粗糙度的降低，平均峰值載荷升高。端子表面粗糙度0.14 μm下接頭的拉伸性能最好。 

圖  4  不同端子表面粗糙度下接頭的載荷-位移曲線

Figure  4.  Load-displacement curves of joints under different terminal surface roughness

2.3   斷口形貌

由圖5可以看出：端子表面粗糙度1.80 μm下接頭的失效形式為界面拉脫，焊接在端子上的銅線在拉力作用下完全脫離焊接界面，表明銅線與端子之間的冶金結(jié)合較弱；端子表面粗糙度1.15，0.62，0.36 μm下端子上存在大量界面拉脫痕跡，同時粘連少量銅絲，說明接頭的失效形式為界面拉脫和銅線少量粘連；隨著端子表面粗糙度的降低，銅絲粘連程度略微增強。0.14 μm端子表面粗糙度下接頭的失效形式為銅絲大量粘連和少量界面拉脫。隨著端子表面粗糙度的降低，更多的銅絲粘連在端子上，說明端子與銅線之間的結(jié)合強度增加，接頭的成形質(zhì)量更好，拉伸性能提高。 

圖  5  不同端子表面粗糙度下接頭的拉伸斷裂形貌

Figure  5.  Tensile fracture morphology of joint under different terminal surface roughness after tensile test

由圖6可以看出，當端子表面粗糙度為1.80 μm時，拉伸試驗后端子側(cè)斷口表面存在大量打磨痕跡和銅線的焊接痕跡，同時還存在大量長滑移坑道。在拉伸狀態(tài)下，焊接在端子側(cè)的銅線中的位錯沿特定滑移系運動并累積[13]，形成密集的滑移帶，相鄰滑移帶之間的交互作用、位錯堆積及應力集中加劇了表面材料的塑性流動和下陷，導致銅線脫離端子，并最終形成大面積的滑移坑道痕跡。同時，在端子表面還觀察到剪切韌窩，說明接頭的斷裂機制為微孔聚集型韌性斷裂[14-15]。 

圖  6  拉伸試驗后端子表面粗糙度1.80 μm下接頭端子側(cè)斷口SEM形貌

Figure  6.  Fracture SEM morphology on terminal side of joint under 1.80 μm terminal surface roughness after tensile test: (a) overall morphology; (b) enlarged morphology of area a1 and (c) enlarged morphology of area a2

由圖7可以看出：當端子表面粗糙度為0.62 μm時，拉伸試驗后端子側(cè)斷口表面存在銅線殘留與銅線拉脫后的焊接痕跡，同時還出現(xiàn)大量細小的剪切韌窩以及少量的等軸韌窩，在韌窩中存在極少量的第二相粒子，說明斷口的塑性變形程度較高，接頭的成形質(zhì)量較好。剝離的銅線上也形成了剪切韌窩。焊接界面與銅線內(nèi)部都存在較多的薄弱位置，在拉力的作用下，這些薄弱位置先失效，先失效的部分銅線殘留在端子上形成少量銅絲粘連[16]。正是由于這些粘連的銅絲，在銅線與端子即將完全分離時產(chǎn)生塑性變形，導致載荷在達到峰值斷崖式下降后出現(xiàn)下降趨勢減緩甚至小幅提高的現(xiàn)象。 

圖  7  拉伸試驗后端子表面粗糙度0.62 μm下接頭端子側(cè)斷口SEM形貌

Figure  7.  Fracture SEM morphology on terminal side of joint under 0.62 μm terminal surface roughness after tensile test: (a) overall morphology; (b) enlarged morphology of area a1 and (c) enlarged morphology of area a2

由圖8可以看出，當端子表面粗糙度為0.14 μm時，拉伸試驗后接頭端子側(cè)斷口上殘留銅絲的斷口呈頸縮現(xiàn)象，這表明在拉伸過程中銅絲發(fā)生韌性斷裂[17]，同時在銅線拉脫形成的斷口和殘留銅絲斷口上都可以觀察到韌窩及第二相粒子。在銅絲之間剝離后的表面也存在韌窩，且韌窩中也存在第二相粒子，但與銅線/端子界面處相比，韌窩數(shù)量更少，尺寸更小，說明在斷裂過程中微孔長大不充分，銅絲間的結(jié)合強度低于銅線與端子間的結(jié)合強度。由于銅絲間的結(jié)合程度低于銅線與端子之間，在拉伸過程中銅絲之間的薄弱位置優(yōu)先失效，導致銅線大量粘連在端子表面。 

圖  8  拉伸試驗后端子表面粗糙度0.14 μm下接頭端子側(cè)斷口SEM形貌

Figure  8.  Fracture SEM morphology on terminal side of joint under 0.14 μm terminal surface roughness after tensile test: (a) overall morphology; (b) enlarged morphology of area a1; (c) enlarged morphology of area a2 and (d) enlarged morphology of area a3

3.   結(jié)　論

（1）當端子表面粗糙度由1.80 μm降低至0.14 μm時，接頭的孔隙率由11.76%降低至8.15%，銅絲之間以及銅線/端子界面處的孔隙減少，銅絲之間與銅線/端子界面的結(jié)合更加緊密，結(jié)合形式由點連接與線連接轉(zhuǎn)變?yōu)榫€連接與面連接，接頭成形質(zhì)量提高。 

（2）隨著端子表面粗糙度降低，拉伸過程中接頭的平均峰值載荷升高，失效形式由以界面拉脫為主向以銅線大量粘連為主轉(zhuǎn)變。

文章來源——材料與測試網(wǎng)