本发明涉及焊接，具体为一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法。
背景技术：
1、扁铜线电机具有效率高、功率密度大、体积小、槽满率高等优点，是新能源汽车驱动电机主要发展方向之一。
2、扁铜线电枢绕组为扁铜线电机机电能量转换的枢纽和核心部件，主要起产生感应电动势和电磁转矩的作用，由多个扁铜线导体线圈构成。因此，需对扁铜线导体线圈的端部进行连接。超声波焊接具有焊接温度低、无飞溅、焊点面积大、能耗小、焊接时间短以及对母材导电性、导热性不敏感等优点，可应用于扁铜线连接。扁铜线接头电阻增大扁铜线绕组铜耗和产热量，导致电机输出扭矩、效率和功率密度降低。焊接部位严重发热现象会对绕组绝缘性和转子磁性造成不可逆的损伤，安全隐患极大。此外，由于电机温升，接头需在较高温度下承载力，其力学性能直接关系到车辆行驶安全。因此，提高超声波焊接扁铜线接头力学性能和导电性对扁铜线电机效率和可靠性，乃至新能源汽车安全性能起着至关重要的作用。
3、焊合率、有效厚度是影响超声波焊接扁铜线接头力学性能和导电性的两个重要因素。有效厚度为接头焊点区上下两工件中最小厚度值，焊合率为接头焊接界面上有效焊合区占整个焊缝总长度的比例。在超声波焊接时，通过增大焊接工艺参数（焊接压力、时间/能量或振幅）可提升焊合率，进而提高接头力学性能，降低接头电阻，但是，常规的焊接工艺在提升焊合率的同时会导致有效厚度下降，这是因为增大焊接工艺参数（焊接压力、时间/能量或振幅）时，焊齿会刺入上部工件的深度增大，造成接头有效厚度减小；然而有效厚度减小会降低接头传递力和电流的截面积，不利于持续提升接头力学性能和导电性。由此可知，焊合率与有效厚度之间的矛盾是制约超声波焊接扁铜线接头力学性能和导电性不能持续提升的瓶颈。
4、因此，如何同时提高焊合率、有效厚度，是实现超声波焊接扁铜线接头力学性能和导电性提升的关键。此外，由于目前超声焊接设备功率的限制，对于大于3 mm厚度的扁铜线，常规的超声焊接方法无法将其成功的焊接到一起。
技术实现思路
1、本发明目的在于提出一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，可提高超声波焊接扁铜线界面的焊合率以及可焊接扁铜线的厚度，从而达到提高超声波焊接扁铜线接头的力学性能和导电性能的目的。
2、本发明采用的技术方案是：一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，步骤如下：
3、采用超声接触扫描方法对待焊接扁铜线表面进行处理，使该表面形成梯度纳米结构，将具有表面梯度纳米结构的扁铜线相互搭接后，进行超声波焊接，在焊接前期，表面梯度纳米结构降低焊接界面的摩擦系数，使两扁铜线之间相对运动的速度上升以及振幅增大；在焊接后期，随着焊接界面温度升高并结合超声振动加速焊接界面材料的动态再结晶进程，使更多焊接界面产生冶金结合。
4、作为优选方案，所述的梯度纳米结构，表面为纳米晶层，芯部为粗晶层，中间过渡区域为变形结构层，自表及里晶粒尺寸由最表层纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度的粗晶结构。
5、作为优选方案，所述梯度纳米结构的尺寸为：最表层晶粒尺寸为45～80 nm，由表及里晶粒尺寸从45～80 nm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸。
6、作为优选方案，所述纳米晶层的厚度为20～50 μm，变形结构层的厚度为50～200μm。
7、作为优选方案，采用超声接触扫描方法为：在常温下进行，将工件固定到工作台上，并将直径为20～25mm的平面超声头压在待焊接扁铜线表面，压紧力为0.1～0.6 mpa，振幅为5-18 μm，振动方向垂直于工件表面，工作台可沿x和y轴方向移动。
8、作为优选方案，所述超声波焊接过程中的技术参数为：焊接时间为0.8～1.8 s，焊接压力为0.4～0.8 mpa，焊接振幅为30～60 μm。
9、作为优选方案，所述扁铜线的材质为纯铜或铜合金。
10、作为优选方案，所述扁铜线的厚度为1.0～3.5 mm。
11、作为优选方案，所述具有表面梯度纳米结构的扁铜线之间的连接方式为搭接，且所述一个扁铜线为上焊件，与焊头直接接触，另外一个扁铜线为下焊件，与砧板直接接触。
12、本发明的有益效果是：
13、基于现有技术存在的缺陷，提供一种超声波焊接扁铜线的方法，本发明通过优化焊接工艺，采用表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线，超声波焊接时，焊接界面的材料受到一定的压力和高频的剪切力的作用。在超声焊接过程的前期阶段，运用梯度纳米结构抗应变局域化能力高的特性，抑制焊接界面塑性失稳，稳定摩擦过程，使得两扁铜线之间相对运动的速度上升。高速度的相对运动能阻止大量焊合区形成，从而遏制过大摩擦力在焊接界面过早形成，降低该界面的摩擦系数，引起两扁铜线之间相对运动的振幅增大、持续时间延长，使焊接界面的摩擦产热量增大、超声软化效应加强和超声加速动态再结晶进程的作用增强。同时，运用梯度纳米结构抗应变局域化能力高的特性还可缩小焊接界面剪切力沿母材厚度方向的传递范围，导致能量耗散减少，使得更多热量在焊接界面聚集。在超声焊接过程后期阶段，焊接界面温度升高，结合大振幅和长持续时间的超声振动可助力材料软化并能促进动态再结晶的作用，较粗晶铜再结晶温度低的纳米晶铜能进一步加速焊接界面材料的动态再结晶进程，引起晶界迁移速率增大，使更多焊接界面产生冶金结合；同时，与粗晶铜相比，纳米晶铜熔点低，可在较低温度下软化或熔化，在剪切力和压力的作用下，其流动性更好，能更有效减少未焊合缺陷，从而提高焊合率。
14、根据以上分析可知，梯度纳米结构抗应变局域化能力高的特性可降低焊接界面摩擦系数，这将促使超声焊接过程中上扁铜线易被焊头驱动，降低焊头/上扁铜线之间滑动摩擦的持续时间和振幅，引起该区的挤压磨损程度减轻，从而增大有效厚度。梯度纳米结构的晶粒尺寸决定了其抗应变局域化能力、熔点和再结晶温度，因此通过调控梯度纳米结构中晶粒尺寸可控制有效厚度和焊合率。此外，对于3mm至3.5 mm厚度的铜板材，该发明方法也可以将其成功地焊接到一起。本发明采用表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线接头的最大剪切强度可以达到3265.8n，有效厚度为母材铜薄板厚度的94.3 %，焊合率达到94.5%，t型剥离强度达到654.2 n，接头电阻小于70 μω。此方法解决了超声波焊接cu/cu接头力学性能低、电阻高的问题，同时化解了焊合率与有效厚度之间的矛盾，增加超声焊接可焊接扁铜线的厚度，能够满足超声波焊接cu/cu接头在扁铜线电机领域的需求。
1.一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述的梯度纳米结构，表面为纳米晶层，芯部为粗晶层，中间过渡区域为变形结构层，自表及里晶粒尺寸由最表层纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度的粗晶结构。
3.根据权利要求2所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述梯度纳米结构的尺寸为：最表层晶粒尺寸为45～80 nm，由表及里晶粒尺寸从45～80 nm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸。
4.根据权利要求2所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述纳米晶层的厚度为20～50 μm，变形结构层的厚度为50～200 μm。
5.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：采用超声接触扫描方法为：在常温下进行，将工件固定到工作台上，并将直径为20～25mm的平面超声头压在待焊接扁铜线表面，压紧力为0.1～0.6 mpa，振幅为5-18 μm，振动方向垂直于工件表面，工作台可沿x和y轴方向移动。
6.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述超声波焊接过程中的技术参数为：焊接时间为0.8～1.8 s，焊接压力为0.4～0.8 mpa，焊接振幅为30～60 μm。
7.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述扁铜线的材质为纯铜或铜合金。
8.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述扁铜线的厚度为1.0～3.5 mm。
9.根据权利要求1所述的一种表面梯度纳米结构辅助超声波焊接扁铜线的方法，其特征在于：所述具有表面梯度纳米结构的扁铜线之间的连接方式为搭接，且所述一个扁铜线为上焊件，与焊头直接接触，另外一个扁铜线为下焊件，与砧板直接接触。
