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前言

超声波焊接是一种常用的金属连接技术，在很多应用领域都得到广泛应用，针对EN AW 1370异种接头的超声波焊接，镍涂层的选择对其长期性能具有重要影响。

EN AW 1370是一种常用的铝合金材料，其在工程领域具有广泛应用，然而，EN AW 1370与其他金属材料的异种接头焊接，对接强度和长期使用性能提出了挑战。

镍涂层可作为金属材料表面的保护层，通过改善界面接触和防止腐蚀等方式，提高异种接头的焊接质量和性能。

为了满足当前减少CO 2排放的需求，必须通过轻量化结构等方法来实现节能车辆，通过使用与最常用的材料铜相比密度较低的导电材料，可以减轻重量。

一种方法是用铝代替铜，铝的密度比铜低约 70%，由于铝的导电率低于铜，因此铝导体的横截面必须增加大约60%，尽管导体横截面增加，理论上重量仍可减轻高达 50%。

由于铝的特性，例如蠕变行为及其氧化层，只能部分替代，为消费者和能源供应商提供的触点仍然由铜制成，需要生产混合的铝、铜化合物。

由于两种材料的特性不同的熔化温度、不同的热膨胀系数和不同的导热性，以及形成具有高比电阻的脆性金属间化合物的倾向，这些混合接头的制造是一个复杂的过程。

可以在包括铝和铜在内的多种材料组合中产生异种材料连接，脆性金属间相如AlCu和Al 4 Cu 9的形成。

当使用超声波焊接时，可以通过将连接区域温度保持在连接伙伴的液相线温度以下来降低。

在车辆的使用寿命期间，超声波焊接接头会受到各种环境影响，此类接头可免受这些工业应用中有害环境的影响。

这可以通过使用保护性塑料密封，对接头进行特定绝缘，或通过使用适当的铜元件涂层来实现。

镍涂层充当铝和铜之间的扩散屏障，经常用于此目的，因此可以减少腐蚀，这些涂层可以通过镍涂层工艺的类型、电解质的成分、涂层的成分以及机械、化学和摩擦学特性来区分。

在这项工作中，检查了工业中使用的选定镍类型（电镀镍、化学镀镍和氨基磺酸盐镍）是否适合维持化合物的长期稳定性。

现有技术显示了关于带涂层连接件的超声波焊接铝、铜接头以及铝和镍的超声波，焊接的不同研究，研究了超声波焊接铝、镍接头的可焊性和机械性能。

在他们的工作中，可以概述通过在铝和镍板的界面之间添加 Al2219 颗粒来改善拉伸剪切载荷。

界面中具有 Zn 夹层的 Al-Cu 接头的拉伸剪切载荷，比没有 Zn 夹层的样品高 25-170%，关于无涂层的铝/铜接头的老化。

分析了螺栓铝和铜母线接头的老化机制，他们表明，较高的温度负载会导致连接更快恶化，并且形成的金属间化合物对接触电阻没有显着影响。

研究了不同温度载荷对 Al/Cu 接头、Al/Ni/Cu 接头以及其他材料组合的 IMC 构建速率的影响，以确定可以使用连接的最高温度，研究了考虑不同镍涂层的热负荷测试对超声波焊接铝线-铜端子连接的影响。

在他们的研究中，焊接样品暴露在 350 °C 的热负荷下 45 小时，镀镍样品的失效载荷最多可降低 43%，无涂层的 Al/Cu 接头的失效载荷可降低 60%。

对现有技术的分析表明，异种铝/铜接头使用涂层，可以对机械性能和长期稳定性产生积极影响，这项工作的目的，是分析各种镍类型对超声波焊接混合电缆-导体连接的长期行为的影响。

铜端子的镀层选用高磷化学镀镍、无添加剂电镀镍镀层和电镀氨基磺酸镍，所有涂层的层厚度设置为 5 μm ± 1 μm。

因为考虑到变化，可以从该层厚度保证封闭层，使用 XRAY XDV-SDD 设备对样品进行分析。

测量在三个涂层铜端子上进行，每种涂层类型有 24 个测量点，作为涂层类型函数的层厚度。

可以看出，由于工艺变化，测量的层厚度超过 5 μm，与氨基磺酸盐镀镍样品相比，电镀和化学镀镍样品的层厚度变化较大。

研究不同的长期测试，对超声波焊接样品接头质量的影响，样品承受电、腐蚀、热和振动载荷。

在长期热负荷测试中，样品被热储存在烤箱中，根据汽车的要求，选择140℃和180℃的温度，并对样品进行500小时、750小时和1000小时的热测试。

电流负载下的长期行为是根据UL 310标准进行的，由于该标准仅规定了最大5.3 mm 2电缆的测试电流，根据标准调整电流，达到130℃。确定的测试电流为330A。

测试由500个循环组成，其中一个循环，由45分钟的有电流负载和15分钟的无电流负载组成，用于电阻测量的电压，是在距离电缆末端约 2 mm 处分接的。

此外，通过热电偶测量焊接节点的温度。

为了测试振动载荷对超声波焊接绞线-导体连接的长期性能的影响，根据大众标准 80000 M-04 进行了振动测试。

安装在汽车底盘悬挂质量上的部件选择了振动曲线D，每个维度方向均经过 8 小时的测试。

腐蚀负载下的长期行为根据 DIN EN ISO 11130进行，根据该标准，将样品储存在盐水溶液中，盐溶液是H 2的混合物O 和 NaCl。

其中 35 g ± 1 g/l 盐溶解在水中，样品在 250、500、750 和 1000 次循环后进行测试。

根据标准，一个周期由盐水溶液中10分钟和50分钟干燥阶段组成，每次测量前，将样品用清水清洗并保存24小时晾干。

经过长期测试后，对样品进行了电学、机械、金相等手段的检测，连接电阻的测量是基于四点测量法的原理进行的，测量值由电缆和两个焊接连接的电阻之和得出。

焊接试件在拉伸试验机上进行力学测试，最大试验载荷为20 kN，试验速度为10 mm/min，设定力降为95%，电缆的自由夹紧长度设置为60毫米。

为了模拟这种腐蚀负荷，根据 ISO 11130 在盐水中进行了腐蚀测试，使用参数t  = 1000 ms、F  = 1.7 kN 和A  = 33.5 μm 焊接的样本经过长达 1500 小时的测试。

不同类型涂层对电阻随老化时间的影响的分析，样品在 250 小时、500 小时、750 小时、1000 小时和 1500 小时老化时间后进行电测试，样品在 1000 次循环后进行了机械测试。

测量值代表具有两个焊接铝铜连接的电缆连接的电阻，所有研究的涂层类型都可以通过平均值的增加和电阻随负载持续时间的变化来描述。

在未涂层样品上观察到电阻从R  = 142.5 ± 1.9 μΩ（焊接时）到R = 158.7 ± 4.9 μΩ（1500 次循环）的最大增加。

研究了涂层类型对剪切拉伸载荷和剥离拉伸载荷的影响，对加载 1000 次循环的样品进行了机械测试。

两种测试方法都表明，涂层类型对暴露在腐蚀环境下的电缆避雷器。连接的失效载荷没有显着影响。

剥离拉伸试验后样品的失效载荷约为 500 N，无论涂层类型如何，这里的失效载荷的特点是变化相对较小。

剪切拉伸测试的结果表明，未涂层样品比电镀和化学镀镍样品具有更高的平均失效载荷。

未涂层样品更容易腐蚀的趋势是在电阻检查过程中确定的，但机械测试并未证实这一点，这可以通过以下事实来解释：腐蚀发生在绞线节点而不是连接区域。

研究了电流负载下的长期行为，和涂层类型对失效负载和电阻的影响，电流负载测试根据汽车标准 UL 310 进行。

测试采用焊接时间t  = 1000 ms、振幅A  = 33.5 μm、焊接力F  = 1.7 kN的焊接样本进行， F =  2.0 kN，电阻与涂层类型和焊接力的函数关系，在 500 个负载循环之前，和之后测量所有样品的电阻。

电负载测试期间，节点温度与上述参数的函数关系，显示了一个循环（焊接时）后和 500 个循环后样品的温度。

对于以F = 1.7 kN的焊接力连接的样品进行负载测试后，未涂层样品的电阻和节点温度略有增加 ，焊接力增加到F  = 2.0 kN的影响导致电阻和节点温度的增加相对较强。

电镀镍样品的电阻从R  = 168.7 ± 4.5 μΩ（焊接时）增加到F  = 181.0 ± 7.8 μΩ（500 次循环后）。

平均节点温度从T  = 138.6 ± 1.0 °C（焊接时），至T = 143.8 ± 1.0 °C（500 个循环后）。

可以认识到焊接参数对测量值的显着影响，对于未涂层和所有被检查的涂层样品都可以看到这种行为，节点温度的升高可归因于电阻的增加。

测试过程中的温度负载会导致形成具有较高比电阻的金属间相，从而导致节点温度升高，较高的节点温度反过来会导致金属间相的生长增加。

在光学显微镜下可以在未涂覆的样品上观察到生长的扩散层。

由于金属间相的生长，电阻的增加和节点温度的相关增加，也会影响样品的机械性能，用光学显微镜无法检测到Al和Ni之间扩散层的生长。

经过电气测试和未经测试的样品的失效负载，可以看出，与未加载的样品相比，随着选定的负载循环，电阻的轻微增加，不会导致加载样品的失效负载发生任何显着变化。

这是使用焊接力F = 1.7 kN焊接样本的情况 ，相比之下，以F  = 2.0 kN 的焊接载荷连接的样品显示。

在施加当前载荷后，未涂层和电镀镍涂层样品的失效载荷有所减少，未涂层样品的平均失效载荷从F  = 3365.0 ± 115.0 N（焊接时）减少到F = 3040.6 ± 211.3 N（500 次循环后）。

对于化学镀镍样品和氨基磺酸盐镀镍样品，负载测试后失效负载保持恒定，可以说，对于任何测试的涂层类型，都没有观察到由于电负载测试而导致的故障负载发生显着变化。

根据 SAE 指南 USCAR 38 ，失效载荷的所有变化均高于最小可接受失效载荷。

在拉伸试验后样品的失效模式中可以看到类似的行为，所有测试涂层类型在 1000 ms 的焊接时间，和 1.7 kN 的焊接力的电负载测试之前和之后的故障行为。

在电负载测试之前和之后，样品在铝基材以及铝与铜或镍之间的界面中，表现出类似的部分失效行为。

振动测试前后的失效载荷与焊接时间、焊接力和涂层类型的函数关系，无涂层铜端子、电镀镍涂层铜端子、化学镀镍铜端子和氨基磺酸盐涂层镍端子，进行了检查。

比较未涂层样品振动测试前后的失效载荷，可以看出，几乎所有研究的工艺变量都没有发现显着差异。

仅以焊接力F  = 1.7 kN 和焊接时间t连接的样品 = 1200 ms ，显示振动测试后较高的平均失效载荷。

由于振动测试对机械性能没有积极影响，因此这种影响可以用超声波焊接工艺的一般工艺不确定性来解释。

当观察镀有镍的样品时，没有检测到涂层类型的影响，有涂层和无涂层样品的失效载荷均不会受到振动测试的不利影响，当考虑振动测试前后样品的失效行为时，也可以看到这个结果。

以化学镀镍样品的失效行为为例，其他涂层类型的失效可以通过类似的行为来表征，可以确定界面和铝基材（焊接节点）中的部分失效行为。

可以证明，根据大众标准 80000 M-04，样品不会受到振动测试的显着影响，与镍涂层的类型无关。

尽管存在一般过程的不确定性，但结果表明，所有测试样品在振动测试前后均满足SAE 指南 USCAR-38（失效载荷 ≥ 1800 N）对失效载荷的要求。

不同镍镀层对超声波焊接Al/Cu化合物长期稳定性的影响，接头的长期稳定性根据当前汽车行业标准基于热、腐蚀、电和振动载荷进行了测试。

热负荷测试的结果可以证明，在研究的老化条件下，没有发现明显的影响。

没有发现任何特定类型涂层的优点，还进行了电力负载测试，在这里，对于所有检查的涂层类型，在 500 个负载循环后，检测到电阻增加和平均失效负载减少。

在这种情况下，焊接参数（焊接力和焊接时间）对负载试验后电阻的变化以及由此产生的失效负载有显着影响。

尽管如此，失效载荷的变化仍在汽车标准 UL310 和 USCAR-38 规定的允许范围内。

腐蚀浸泡测试的结果可以这样总结：与未涂层样品相比，给出了镍层的防腐蚀性能。

在所研究的负载循环内，未涂层和涂层样品之间电阻变化的差异可以忽略不计，因为涂层样品也受到腐蚀测试的负面影响。

研究了振动载荷下的长期稳定性，根据大众标准 80000 M-04 进行实验后，发现该测试不会对焊接接头的机械性能产生负面影响。

表明本研究中研究的涂层类型对接头长期稳定性的影响并不显着。

这意味着镀镍和未镀镍的铜端子均可用于电缆-导体连接，应考虑在工业环境中使用未涂层的样品，以减少生产时间和生产成本。

结论

通过对不同镍涂层对超声波焊接EN AW 1370异种接头的长期性能影响进行系统研究，得出同镍涂层对焊接接头的微观组织和界面结构具有明显影响，可以改善焊缝质量和界面强度。

Ni-P合金涂层则适用于需要较好耐蚀性能的环境，根据实际需求和工程应用场景，选择适合的镍涂层可以提高EN AW 1370异种接头焊接接头的性能稳定性和使用寿命。

本研究还存在一些局限性，如焊接参数的选取不全面、样本数量较少等，需要在后续的研究中进一步完善。

之后也可以进一步研究其他金属涂层对超声波焊接异种接头的影响，以丰富相关领域的研究内容和应用范围。