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亚毫米尺寸的金属波导元件是下一代太赫兹观测设备的关键部件,金属超声增材制造技术有望整体成型金属波导元件,关键环节为紫铜超声波焊接界面的有效连接,因此开展了相关研究。本文通过力学性能测试、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、ABAQUS有限元分析等技术,研究了工艺参数对0.20mm厚紫铜超声波点焊接头性能及显微结构的影响,模拟了界面温度场,分析了界面连接机理,探讨了三层紫铜超声波点焊的可行性。通过田口方法得到了 0.20mm厚紫铜超声波点焊连接最佳工艺参数:焊接功率P=1300W,焊接时间t=600ms,焊接压力F=0.5MPa。通过改变焊接时间调节焊接能量输入,结果表明:焊接时间为200～500ms时,接头力学性能逐渐提升;t=600ms时,接头强度最高,拉伸剪切力为1215.32N,剥离力为183.75N;t=700ms时,焊点附近明显变形,接头强度降低。紫铜超声波点焊界面分为未结合区、低度结合区和高度结合区,为明确高度结合区的连接机理,分析了界面的晶体取向和微观结构。EBSD分析结果显示:界面存在大量尺寸为1～2μm的细化晶粒;紫铜超声波点焊界面存在立方织构{001}<100>、旋转立方织构{001}<110>、{332}<023>、铜型织构{112}<241>和低强度的{110}<113>织构。为确定焊接界面发生了再结晶现象,模拟了界面温度场分布,结果发现:焊接时间为400ms、500ms、600ms对应的界面中心温度均未超过紫铜熔点,分别为423.7℃、503.2℃、574.8℃,表明超声波焊接为固相连接技术;503.2℃、574.8℃达到了紫铜的理论再结晶温度。紫铜超声波焊接界面通过机械嵌合、原子扩散最终实现金属键合。高度结合区的母材通过金属键合紧密连接,界面焊缝附近晶粒在塑性变形及高温作用下发生再结晶,晶粒得到明显细化,有利于提升接头性能。为提升多层金属超声波点焊界面连接强度,开展了三层紫铜超声波点焊试验。研究发现:界面连接强度取决于母材间的有效连接面积,P=1300W,F=0.5MPa,t=600ms时,接头力学性能最佳,但第二层紫铜表面的凹凸状焊点阻碍了母材间的相互扩散,导致界面同时存在未结合区和高度结合区。表面打磨处理提升了母材的接触面积,接头剥离力最大值为144.38N,较未处理接头(127.32N)提升13.39%。铜粉填充和冷喷涂铜中间层处理未能有效提升接头力学性能,接头性能取决于铜粉中间层厚度及铜粉间连接强度。因此,获得优质的铜粉中间层是提升接头性能的关键。