超声波焊概述和工艺设备讲解

1、超声波焊概述和工艺设备讲解6.1 超声波焊概述6.2 超声波焊的工艺设备6.3 典型材料的超声波焊综合知识模块 6.1 超声波焊概述 超声波焊接（ultrasonic welding，USW )是两焊件在压力作用下，利用超声波的高频振荡，使焊件接触表面产生强烈的摩擦作用，以清除表面氧化物并加热焊件而实现焊接的一种固态焊接方法。 6.1 超声波焊概述6.1.1 超声波焊基本原理6.1.2 超声波焊的种类6.1.3 超声波的特点及应用6.1.1 超声波焊基本原理一、基本原理 二、接头形成过程 一、基本原理超声波焊原理示意图1-发生器 2-换能器 3-聚能器 4-耦合杆 5-上声极 6-焊件 7-下

2、声极A-振幅分布 I-超声波振荡电流F-静压力 V1-纵向振动方向V2-弯曲振动方向1560kHz 利用逆压电效应将电磁能转换成弹性机械振动能 用来放大振幅并耦合负载 超声波焊接中能量转换与传递过程示意图 二、接头形成过程 1振动摩擦阶段 超声波焊初期，由于上声极的超声振动，使其与上焊件之间产生摩擦而造成暂时的连接，然后通过它们直接将超声振动能传递到焊件间的接触表面上，在此产生剧烈的相对摩擦，由初期个别凸点之间的摩擦逐渐扩大到面摩擦，同时破坏、排挤和分散表面的氧化膜及其他附着物。 二、接头形成过程 2温度升高阶段接触表面温度升高，当焊合区的温度约为金属熔点的3550%时，变形抗力下降;在静压力

3、和弹性机械振动引起的交变切应力的共同作用下，焊件间接触表面的塑性流动不断进行;使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。 二、接头形成过程 3固相接合阶段 随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接触部分的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至形成涡流状的塑性流动层，导致焊件表面之间的机械咬合;引起了物理冶金反应，在结合面上产生联生晶粒，出现再结晶、扩散、相变及金属间的键合等冶金现象，形成牢固的接头。 超声波焊点区的涡流状塑性流动层 6.1.2 超声波焊的种类根据超声波弹性振动

4、能量传入焊件的方向，可分成两类：一类是振动能由切向传递到焊件表面而使焊接界面之间产生相对摩擦用于金属材料的焊接 ;另一类是振动能由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要用于塑料的焊接。超声波焊接的接头必须是搭接接头，根据接头焊缝的形式，金属超声波焊可分为点焊、缝焊、环焊和线焊等几种类型。超声波焊的两种类型a）切向传递 b）垂直传递 V-振动方向 F-静压力 1-聚能器 2-上声极 3-焊件 4-下声极1. 点焊 焊接时焊件在圆柱状的上下声极压紧下实施焊接的，每次完成一个焊点。 按能量传递方式分，点焊可分为单侧式和双侧式 。按振动系统分，点焊可采用纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲

5、振动系统。 超声波点焊示意图1-静压力 2-上声极 3-焊件 4-下声极 V-振动方向2. 环焊 用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊缝一般是圆环形的，也可以是正方形、矩形或椭圆形的。上声极的表面按所需要的焊缝形状制成。 超声波环焊示意图 1-换能器 2、3-聚能器 4-耦合杆 5-上声极 6-焊件 7-下声极 F-静压力 V-振动方向 3缝焊 焊件夹持在圆盘状上、下声极之间，连续焊接获得局部相互重叠的焊点，从而形成一条连续焊缝 。 根据圆盘状声极的振动状态，超声波缝焊可分为纵向振动、弯曲振动和扭转振动三种形式。 4线焊 线焊是利用线状上声极或将多个点焊声极叠合在一起，在

6、一个焊接循环内形成一条直线焊缝，也可以看成是点焊的一种延伸。 超声波线焊示意图 1-换能器 2-聚能器 3-焊接声极头（长125mm） 4-心轴 V-振动方向 F-静压力 6.1.3 超声波的特点及应用一、超声波焊的特点 二、超声波焊的应用范围 一、超声波焊的特点1可焊材料范围广 2特别适用于金属箔片、细丝以及微型器件的焊接 3焊件不熔化，焊接温度相对较低，焊件变形小 4被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小 5与电阻点焊比较，耗电功率小 6操作简便、焊接速度快、生产效率高等优点 可以焊接厚薄相差悬殊焊件7.目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件，且只限于搭接接头形式。8.焊点表面容易因高频机械

7、振动而引起边缘的疲劳破坏，对焊接硬而脆的材料不利。 9.缺乏精确的无损检测方法和设备，因此超声波焊接质量目前难以进行在线准确检验，在实际生产中还难以实现大批量机械化生产。二、超声波焊的应用范围 1电子工业 2电器工业 3包装工业 4航空航天及核能工业 5塑料工业 6其他应用 6.2 超声波焊的工艺设备6.2.1 超声波焊的工艺6.2.2 超声波焊设备6.2.1 超声波焊的工艺一、接头设计 二、焊件表面准备 三、上声极的选用四、焊接参数的选择 一、接头设计1边距e 2点距s 3行距r 二、焊件表面准备超声波焊时，对焊件表面不需进行严格清理，因为超声振动本身对焊件表面层有破碎清理作用。 焊件表面被

8、严重氧化或已有锈蚀层，焊前仍需清理，通常采用机械磨削或化学腐蚀方法清除。 三、上声极的选用 上声极所用的材料、端面形状和表面状况等会影响到焊点的强度和稳定性。 焊接铝、铜、银等较软金属的声极材料较多采用高速钢、滚珠轴承钢；焊接钛、锆、高强度钢及耐磨合金常采用沉淀硬化型镍基超级合金等作为上声极。 四、焊接参数的选择 1. 焊接功率 超声波焊接功率随焊件厚度和硬度的增加而增加。 2. 振动频率 谐振频率的选择以焊件的厚度及物理性能为依据，一般控制在1575 kHz之间。 薄件焊接时，宜选用较高的谐振频率，因为在维持机械能不变的前提下，提高振动频率就可以相应降低振幅，从而减轻薄件因交变应力而可能引起

9、的疲劳破坏。焊接厚件时或焊接硬度及屈服强度都比较低的材料时，宜选用较低的振动频率。 3振幅 振幅是超声波焊接工艺的主要焊接参数之一，它决定着摩擦功率的大小，关系到材料表面氧化膜的清除效果、塑性流动的状态以及结合面的加热温度等，因此根据被焊材料的性质及其厚度来正确选择振幅值是获得良好接头质量的保证。 4. 静压力 静压力是直接影响功率输出及焊件变形条件的重要因素。静压力的选用取决于材料的厚度、硬度、接头形式和使用的超声波功率。 5. 焊接时间 焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间。 焊接时间的选择随材料性质、厚度及其他焊接参数而定，高功率和短时间的焊接效果通常优于低功率和较长时间的焊接效果。 上

10、述几个焊接参数之间并不是孤立的，而是相互影响、相互关联，应统筹考虑。 6.2.2 超声波焊设备一、超声波焊接设备的组成 二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参数 一、超声波焊接设备的组成 1超声波发生器 超声波发生器是用来将工频（50Hz）电流变换成1560kHz的振荡电流，并通过输出变压器与换能器相匹配。 超声波发生器必须与声学系统相匹配才能使系统处于最佳状态，获得高效率的输出功率。 2声学系统 声学系统由换能器、聚能器、耦合杆和声极组成。 1）换能器 2）聚能器 3）耦合杆 4）声极 3. 加压机构 向焊接部位施加静压力的加压机构主要有液压、气压、电磁加压和自重加压等。大功率超声波焊机多采

11、用液压方式，冲击力小；小功率超声波焊机多用电磁加压或自重加压方式，这种方式可以匹配较快的控制程序。 4. 程序控制器 二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参数 6.3 典型材料的超声波焊超声波焊属于固相焊接，目前主要用于小型薄件的焊接，焊接质量可靠，经济性较好。超声波焊不仅可以焊接铝、铜、金等较软的金属材料，也可用于钢铁材料、钨、钛、钼等金属的焊接，物理性质相差悬殊的异种金属，甚至金属与半导体、金属与陶瓷等非金属以及塑料等异种材料均可以采用超声波焊。 6.3 典型材料的超声波焊6.3.1 同种材料的超声波焊6.3.2 异种材料的超声波焊6.3.1 同种材料的超声波焊超声波焊接金属材料时，最常用

12、的方法是点焊。 超声波焊接易于实现同种金属材料的可靠连接 。利用超声波焊接不同厚度的组合焊件时，超声振动应从比较薄的焊件一方导入，焊接参数也是根据薄焊件的厚度来确定。 6.3.1 同种材料的超声波焊一、同种金属材料的焊接 二、塑料的超声波焊 一、同种金属材料的焊接1铝及铝合金的焊接 2铜及铜合金的焊接 3钛及钛合金的焊接 4高熔点材料的焊接 1铝及铝合金的焊接铝及铝合金是应用超声波焊最多，也是最能显示出这种焊接方法优越性的材料。 对于较低强度的铝合金，超声波点焊和电阻点焊或缝焊的接头强度大致相同。 超声波焊接铝及铝合金的表面准备要求比其他任何一种焊接方法都低。正常情况下，铝的表面一般进行脱脂处

13、理。 2铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接性好，焊前需要对表面进行清洗，去除油污，焊接参数和设备选择与铝合金相似。 3钛及钛合金的焊接钛及钛合金具有很好的焊接性，焊接参数选择范围比较宽。焊点经显微组织分析发现，有时产生的相变，也有未经相变的焊点组织，但均能获得满意的接头强度。 4高熔点材料的焊接 对于金属钼、钨等高熔点的材料，由于超声波焊可避免接头区的加热脆化现象，从而可获得高强度的焊点质量。 高硬度金属材料之间的超声波焊接、或焊接性较差的金属材料之间的焊接，可通过添加中间过渡层的方法实现超声波焊接。 对于多层金属结构，也可以采用超声波焊。 二、塑料的超声波焊塑料焊接时，通常尽量将焊件的结合面置

14、于谐振曲线的波节点上，以便在这里释放出最高的局部热量，以使材料受热熔化达到焊接的目的。 塑料超声波焊机一般由超声波发生器、焊压台和焊具三大部分组成。 优点 1焊接效率高，焊接时间不超过1s。2焊前焊件表面可不处理，由于残存在塑料零件上的水、油、粉末、溶液等不会影响正常焊接，因而特别适用于各类物品的封装焊。 3焊接过程仅在焊合面上发生局部熔化，因而可避免污染工作环境，而且焊点美观，不产生混浊物，可获得全透明的焊接成品。 焊接结晶性塑料和软质塑料时，需要在离振头较近的近场区焊接。超声波焊主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和线材等，在焊接时不需加热或添加任何溶剂和粘结剂。 塑料超声波焊的焊接面预加工有一些特殊要求，在焊接面上，常设计带有尖边的超声波导能筋 。焊接模塑件时，超声