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（1）机械嵌合：超声波金属焊接接头中常见到两焊件接触处形成塑性流动层，并呈现犬牙交错的机械嵌合，这种接合对连接强度起到有利的作用，但并不是金属的连接，在金属与非金属之间的超声波金属焊接接时，这种机械嵌合作用占主导地位。
（2）金属原子间的键合：在超声波金属焊接接接头中，焊接界面之间存在大量被歪扭的晶粒，这些晶粒是跨越界面的“公共晶粒”，其尺寸与母材金属的晶粒无明显差别，接头不存在明显的界面，两材料之间通过金属原子的键合而连在一起。可以认为，在焊接开始时，待焊材料在摩擦功的作用下发生强烈的变形和塑性流动，特别是氧化膜去除或破碎以后，为纯净金属表面之间的接触创造了条件，而继续的超声弹性机械振动以及温升，又进一步造成金属晶格上的原子处于受激状态，当金属原子相互接近到0.1～0.3nm时，就有可能出现原子间相互作用的反应区，形成金属键。
（3）金属间的物理冶金：超声波金属焊接接中还存在着由于摩擦生热所引起的再结晶、扩散、相变以及金属间化合物形成等冶金过程。到目前为止，该方面的研究较少，缺乏必要的证据，特别是短时间焊接时，接头中不一定出现再结晶组织强相变，但仍然能够形成接头，由此可知，再结晶，扩散和相变不是形成接头的必要条件。
（4）界面微区的熔化现象：超声波金属焊接接时，微区焊接温度很难精确测量，不能排除微区中出现局部熔化现象。用高倍透射电子显微镜对0.4mm厚的各种Al和Cu接头进行了微观组织分析，发现同种材料的焊缝厚度在μm范围内，焊缝区的晶粒尺寸只有0.05～0.2μm，而轨制母材的晶粒为5～50μm。如果用一般的方法将母材经过塑性变形和低于熔点的不同温度退火，此时再结晶形成的晶粒均>3μm，而没有发现更细小的晶粒。当Al和Cu进行超声波金属焊接接时，也同样发现连接区有焊接时新形成的微细晶粒，而且都是等轴晶粒。电镜分析中还观察到，在连结区微细晶粒边界的转角处有非熔化质点存在，这正是含有非熔化质点的金属加热熔化后发生凝固的特点。可以认为，超声波金属焊接时，界面薄层或局部发生了短时熔化及随后的高速冷却过程。
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