机械工程学报

作者：胡伟飞, 邓晓豫, 张桐舟, 刘振宇, 谭建荣

单位：1. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室 杭州 310027;2. 设计工程及数字孪生浙江省工程研究中心 杭州 310027;3. 浙江大学机械工程学院 杭州 310027

关键词：超声焊接,多物理场耦合,振幅传递,温度场分布,塑性变形；

基金：国家重点研发计划(2018YFB1201802)、浙江省自然科学基金重点(LZ22E050006)和流体动力与机电系统国家重点实验室自主课题(SKLoFP_ZZ_2102)资助项目。

超声焊接作为一种固相连接技术，广泛用于功率半导体的封装工艺中。针对试验观测方式难以研究超声焊接复杂瞬态过程及其连接机理的难题，建立了一个“声-热-力”多场耦合的三维有限元模型来研究这一复杂动态过程，考虑了热和摩擦的双向耦合作用，在热软化的基础上引入了超声对材料的软化效应，并使用模拟得到的工件振幅来动态更新声软化系数，提高了有限元模型的准确性。基于该耦合模型，进一步探究了金属超声焊接过程中工件振幅传递、温度场分布以及塑性变形等复杂机械行为，并分析了振幅、压力等工艺参数对焊接过程的影响。结果表明，工件温度和塑性变形的模拟结果与实测数据吻合较好；超声振动能量在工件间传递存在衰减；工件焊接区域中心温度明显高于焊接边缘温度，但仍远低于材料熔化温度；热和声软化对工件塑性变形均有显著作用，其中声软化的贡献率约为38%。此外，超声焊接工艺参数对焊接过程有较大影响，对改善焊接质量具有潜在意义。

来源：2025年第2期

《机械工程学报》期刊编辑部

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