电阻焊质量监测与控制

电阻焊质量监测与控制必要性在大批量量生产中中，一个个产品往往往需要要几十台台甚至上上百台点点焊机配配套工作作，这将将使电网网电压、、气压产产生很大大的波动动，再加加上难以以避免的的分流、、电极磨磨损等不不利因素素的存在在，致使使点焊质质量极不不稳定，，严重时时将成批批出现不不合格的的焊点。。另一方方面，由由于点焊焊独特的的接头形形式和工工艺的限限制，致致使在电电弧焊生生产中应应用效果果很好的的焊后无无损检测测方法在在点焊生生产中却却难以应应用，同同时也将将使生产产效率降降低、产产品成本本剧增。。必要性为了保证证焊点质质量，国国内外几几乎所有有的汽车车生产厂厂家几十十年来都都一直采采用焊前前打试片片、焊后后进行破破坏性抽抽样检验验的方法法来保证证焊点质质量。显显然，这这种方法法已无法法满足汽汽车工业业发展对对点焊质质量提出出的高可可靠性、、低成本本的要求求。为了了改变这这种现状状，有必必要研制制新型点点焊质量量监测系系统。采采用点焊焊质量监监测系统统，可以以在线监监测每一一台焊机机、每一一焊点的的质量，，及时指指出不合合格的焊焊点及其其形成原原因，使使操作者者及时进进行在线线"补救"，以有效效提高和和稳定焊焊点质量量。焊接参数数的划分分焊接规范范参数：：焊接接电流、、电极压压力、焊焊接时间间、电极极端面尺尺寸等；；焊接过程程参数：：监测信信息，如如：动态态电阻、、红外辐辐射、电电极间电电压、能能量等；；焊接质量量参数：：熔核直直径、焊焊透率、、压痕深深度、拉拉剪强度度、拉伸伸强度、、疲劳强强度等；；质量监控控的难度度电阻点焊焊过程是是一个高高度非线线性、有有多变量量耦合作作用和大大量随机机不确定定因素的的过程，，同时由由于点焊焊的形核核处于封封闭状态态而无法法观测，，特征信信号的提提取比较较困难；；而且形形核过程程的时间间极短，，焊接条条件短时时间的波波动就会会造成较较严重的的后果。。因此，，点焊质质量的监监测和控控制难度度极大。。点焊质量量监测信信息焊接电流流电极间电电压能量积分分动态电阻阻热膨胀电电极位移移红外辐射射超声波不同焊接接电流时时动态电电阻曲线线热膨胀电电极位移移与焊点点质量的的关系监控方法法的现状状及发展展趋势监控焊接接热量这类方法法包括恒恒流控制制法、恒恒压控制制法等。。其原理理是：在在焊接过过程中，，适时测测量焊接接热量参参数值，，并与给给定值比比较，当当出现偏偏差时，，调节可可控硅的的控制角角，以维维持焊接接热量参参数的恒恒定。这这类方法法的优点点是简单单可靠、、易于实实现。目目前，欧欧、美及及日本的的各大汽汽车公司司几乎均均采用这这类方法法，我国国各大汽汽车厂大大部分也也采用这这类方法法。可见见这类方方法的普普及性;缺点是对对电极压压力波动动、电极极磨损及及分流的的影响等等无补偿偿作用。。监控过程程参数的的某个特特征量在点焊过过程中，，有许多多过程参参数的变变化可以以反映焊焊点的形形成过程程，可以以作为质质量监测测的依据据。但是是，这些些过程参参数与焊焊点质量量之间的的关系却却难以用用数学公公式来清清晰地描描述，因因此人们们往往用用过程参参数的某某个特征征量作为为焊点质质量监测测的依据据。特征量与与焊点质质量的关关系当特征量量T过小时，，熔核没没有完全全形成。。当特征征量T达到一定定值后，，熔核形形成，焊焊点强度度F随着特征征量T的增大而而增加，，当熔核核直径达达到或比比电极端端面直径径稍大时时，特征征量T达到饱和和。如再再增加特特征量T值，则产产生飞溅溅，导致致焊点质质量下降降。因此此，A点对应的的T值，就是是期望值值。此外外，焊件件愈厚，，过A点后曲线线变化愈愈陡峭，，特征量量T的变化对对焊点强强度的影影响愈敏敏感，A点愈不易易确定，，控制难难度也将将增大。。常用过程程参数及及其特征征量

过程参数特征量

焊接电流积分值电极间电压积分值、下降量、下降率、方差、最大值动态电阻积分值、下降量、下降率能量积分值热膨胀电极位移最大位移量声发射振铃次数红外辐射最大辐射量超声波“W”波形的宽度、高度

具体应用用方法应用这种种监控方方式在监监控某产产品的点点焊质量量之前，，应根据据工艺实实验找出出特征量量T值与熔核核直径以以及焊点点强度之之间的关关系，并并求出特特征量的的控制带带。根据据控制带带确定监监控仪上上的特征征量上、、下限预预置开关关，当实实测的特特征量值值超出上上、下限限时，仪仪器将报报警，指指出该焊焊点质量量不可靠靠，应作作处理。。效果不好好？这些装置置实质上上是使用用点焊过过程中监监测信息息的某一一特征量量与质量量参数之之间的一一元线性性回归模模型关系系来间接接地监控控焊点质质量的。。由于一一个特征征量只能能片面地地反映点点焊加热热过程，，而一元元线性回回归模型型也只能能描述监监测信息息与质量量参数之之间局部部线性关关系，难难以描述述整体的的非线性性关系，，因此在在焊接过过程中无无法及时时获知焊焊点质量量参数的的准确值值。这就就是现有有点焊质质量监控控方法存存在控制制效果不不理想、、适用范范围窄的的主要原原因。监控某一一过程参参数的曲曲线在用于批批量生产产之前，，先把合合格焊点点的标准准过程参参数曲线线储存下下来，然然后通过过大量的的工艺实实验确定定合适的的容限。。在用于于批量生生产时，，需要对对每一焊焊点的每每一周波波的焊接接电流进进行计算算和调整整，强制制该焊点点形成过过程中的的过程参参数，按按照合格格焊点的的标准曲曲线发展展，焊后后再将过过程参数数的实际际曲线与与标准曲曲线比较较，观察察是否满满足容限限值，以以判断质质量是否否合格，，从而保保证每一一焊点的的质量。。实践证明明，这种种技术的的控制效效果明显显优于单单个特征征量监控控技术，，但应用用局限性性很大，，对工艺艺条件和和周围环环境干扰扰程度要要求非常常严格，，难以普普及推广广。为了保证证控制效效果的稳稳定性，，采取的的主要措措施有（1）采用计计算机群群控技术术，减小小网压波波动的范范围。（2）严格控控制电极极使用时时间，减减小电极极磨损对对焊点质质量的影影响。据据资料介介绍，每每个电极极仅焊320个点就进进行更换换。（3）由于焊焊件的结结构、形形状和尺尺寸都是是确定的的，因此此可以通通过合理理的工艺艺设计避避免分流流、铁磁磁物伸入入对焊点点质量的的影响。。监控点焊焊质量参参数基于模糊糊分类理理论的点点焊质量量的等级级评判基于回归归分析理理论的铝铝合金点点焊质量量多参数数监测方方法基于神经经元网络络理论的的点焊质质量多参参量综合合监测基于模糊糊分类理理论的点点焊质量量的等级级评判1994年，德国国学者Burmeister采用模糊糊分类理理论和现现有的专专家知识识，建立立了三个个电参数数（焊接接电流、、电极间间电压、、工件电电阻）和和两个机机械参数数（电极极位移、、电极加加速度））与焊点点质量之之间的非非线性关关系模型型，实现现了低碳碳钢点焊焊质量的的在线等等级评判判。优点:综合考虑虑监测信信息与质质量指标标间的非非线性缺点:难以摆脱脱专家经经验等人人为因素素的影响响基于回归归分析理理论的铝铝合金点点焊质量量多参数数监测方方法1996年，英国国学者M.HAO采用线性性回归分分析理论论，分别别建立了了一些过过程参数数的各个个特征量量以及多多个特征征量与铝铝合金焊焊点质量量之间的的关系模模型。结结果表明明：多元元回归模模型的误误差比最最佳的一一元回归归模型的的误差大大约下降降30%。熔核直径预测结果

一元线性回归模型预测结果多元线性回归模型预测结果

均方根差/mm相关系数均方根差/mm相关系数MAY28ET0.2830.9920.2250.996MAY28CO0.3860.9650.2020.990JUN10CA0.3850.9500.2030.985基于神经经元网络络理论的的点焊质质量多参参量综合合监测目前，发发展点焊焊质量监监测技术术的难度度，依然然体现在在对焊点点质量参参数无法法直接测测量，只只能通过过一些过过程参数数进行间间接的推推断，发发展多参参量综合合监测技技术是提提高点焊焊质量监监测精度度的有效效途径。。如何充充分利用用监测信信息，建建立合理理的多元元非线性性监测模模型，并并使监测测模型能能够在较较宽条件件内提供供准确、、可靠的的点焊质质量信息息，已成成为发展展多参量量综合监监测技术术的关键键。目前的研研究成果果1997年，哈尔尔滨工业业大学运运用神经经元网络络技术和和回归分分析技术术，研究究了动态态电阻与与焊点质质量之间间的模型型关系，，证明神神经元网网络模型型的精密密度要比比多元线线性回归归模型的的精密度度高2～3倍，并证证明即使使在加热热强度变变化范围围是从未未形成接接头到强强烈飞溅溅这样恶恶劣的工工艺条件件下，采采用神经经元网络络模型也也可以在在焊接过过程中实实时、准准确地监监测焊点点质量，，为进一一步实现现以质量量信息为为目标的的点焊质质量直接接控制奠奠定了必必要的基基础。各种模型型的均方方差均方差模型类型质量参数HRDEHRTNRT熔核直径2.8951.1830.158焊透率380.762153.71123.756拉剪强度1.2610.6460.137与多元回回归模型型和神经经元网络络模型相相比，一一元线性性回归模模型的均均方差最最大，这这说明用用单个特特征量来来监控焊焊点质量量，效果果将是最最劣的。。动态电阻阻特征量量与点焊焊接头质质量参数数间的模模型，其其相应的的神经元元网络模模型的性性能远优优于相应应的回归归模型的的性能，，这说明明神经元元网络模模型比多多元线性性回归模模型更适适合用于于描述点点焊过程程参数与与质量参参数之间间非线性性、强耦耦合的关关系。点焊电极极的研究究进展点焊电极极为什么么容易失失效？电极是点点焊中的的易耗零零件，在在点焊过过程中，，电极的的主要功功能是传传输电流流、加压压和散热热，由于于电极和和焊件接接触时的的温度较较高，而而且自身身具有一一定的电电阻，也也会发热热，因此此，电极极头部的的温升很很快，达达到了稍稍低于焊焊点熔核核的高温温，使电电极头部部在高温温及高压压力作用用下很快快失效。。点焊电极极的失效效形式1.塑性变形形电极的塑塑性变形形都导致致电极端端部形成成蘑菇状状和电极极直径的的增加，，这种塑塑性变形形的产生生是由于于电极头头部在焊焊接时承承受压力力和高温温作用的的结果。。一般来来讲，电电极表面面的温度度与焊件件表面的的温度应应相等，，点焊时时钢板的的表面温温度大约约为700度左右，，点焊镀镀锌钢板板时，电电流密度度比点焊焊无镀层层钢板电电流密度度要高30%左右，电电极表面面的温度度能达到到800--900度。正是是由于电电极头部部的温度度分布不不均匀，，使得电电极头部部产生了了不均匀匀的塑性性变形。。此外，，电极与与工件表表面的高高温还导导致了在在电极头头部产生生低屈服服强度的的Zn-Cu合金，这这将加重重电极局局部的塑塑性变形形。塑性性变形的的产生，，使得电电极头部部的直径径随焊点点数目的的增加而而增加，，从而导导致焊接接电流密密度下降降，熔核核焊透率率降低，，直到焊焊核直径径减小，，焊点强强度下降降趋近允允许值，，此时必必须修整整电极或或更换电电极。2.磨损电极的磨磨损主要要发生在在电极头头部，表表现为电电极头部部的物质质转移到到被焊工工件表面面，使得得电极磨磨损，导导致电极极直径增增大和焊焊接电流流密度下下降。另另外，影影响磨损损的因素素还有在在正常焊焊接规范范下电极极撞击工工件和电电极缺乏乏充足的的冷却。。3.合金化电极的合合金化主主要发生生在电极极和镀层层钢板的的交界面面上，合合金主要要产生在在电极工工作端面面及头部部的周围围。电极极合金化化的程度度取决于于在焊接接循环过过程中电电极与工工件交界界面作用用的温度度和时间间，镀层层元素与与电极材材料的扩扩散速度度，以及及生成物物质在电电极端面面的形核核和长大大。一般般来讲，，电极端端面与工工件作用用时间越越长、工工作温度度越高，，越易合合金化，，而合金金化的产产生不仅仅使电极极端面的的电导率率下降，，提高了了焊接时时电极表表面的温温度，加加快了合合金化，，而且影影响了电电极表面面的电流流分布。。4.坑蚀坑蚀是导导致电极极失效的的主要方方式之一一。在点点焊电极极焊接镀镀层钢板板时，由由于高温温的作用用，在电电极表层层产生了了低熔点点合金，，当电极极离开工工件时，，有些低低熔点合合金在飞飞溅作用用下离开开了电极极端面，，即在电电极端面面产生了了一个小小的弧坑坑，许多多小的孤孤坑连成成一起的的过程叫叫坑蚀，，坑蚀的的结果便便形成了了蚀坑。。蚀坑的的产生，，提高了了坑蚀周周围的电电流密度度和工作作压力，，导致了了蚀坑周周围产生生更严重重的塑性性变形和和脱落，，从而增增加了电电极端面面的直径径和降低低了焊点点直径。。5.热疲劳点焊电极极在工作作过程中中不仅要要在高温温下传递递压力，，而且还还承受着着加热和和冷却的的热应力力作用，，在两者者的作用用下，产产生热疲疲劳，使使得电极极最终失失效或电电极表层层脱落。6.粘附点焊电极极在工作作过程中中由于电电极头部部和镀锌锌钢板的的接触温温度高于于镀锌层层的熔点点，使熔熔化的镀镀锌层强强烈粘附附在电极极头部而而产生粘粘附。7.再结晶电极的再再结晶温温度大约约在700--800'C的范围。。虽然电电极与工工件连接接界面上上的温度度基本低低于此温温度，但但有些区区域的温温度也有有可能达达到此温温度，这这取决于于工件与与电极之之间的接接触电阻阻、焊接接速度、、冷却状状况及电电极合金金类型。。一旦电电极某个个区域的的温度大大于电极极的再结结晶温度度，则在在电极中中将产生生再结晶晶和晶粒粒增大，，使得电电极易于于失效。。延长点焊焊电极寿寿命的措措施1.电极端面面的表面面改性2.粉末冶金金电极3.优选焊接接规范4.电极的深深冷处理理用电流波波形控制制法提高锌钢钢板点焊焊电极的的寿命在接通焊焊接电流流之前施施加焊前前电流，，使锌层层先熔化化，并在在电极压压力作用用下将其其挤走，，从而减减弱或避避免电极极/工件界面面铜锌合合金化、、提高工工件/工件间接接触电阻阻，使焊焊接区加加热均匀匀，获得得同样熔熔核所需需焊接电电流减小小，电极极寿命增增加。基本原原理理表面飞溅溅率随焊焊前电流流的变化化规律(施加焊前前电流时时间:5周波)表面飞溅溅率随焊焊前电流流通电时时间的变变化规律律(焊前电流流有效值值:3ｋＡ)电极寿命命随焊前前电流的的变化规规律（焊前电电流时间间:5周波）利用深冷冷处理提提高电极极的使用用寿命深冷处理理是指在在-130℃以下对材材料进行行处理改改变材料料性能的的一种方方法，深深冷处理理以液氮氮(-196℃))为制冷剂剂。试验验采用气气体法加加工深冷冷电极，，将电极极放入深深冷装置置，液氮氮经喷管管喷出后后在冷箱箱中直接接汽化，，利用液液氮的汽汽化潜热热及低温温氮气吸吸热使冷冷箱降温温。通过过控制液液氮的输输入量来来控制降降温速度度、保温温温度、、保温时时间等实实现对温温度的自自动调节节。何谓深冷冷处理？？深冷装置置结构1-箱体2-排气管3-导风板4-喷管5-风扇6-测温仪表表7-电磁阀8-截止阀9-手动阀门门10-液氮容器器深冷处理理前后铬铬锆铜合合金组织织ＳＥＭＭ背散射射深冷处理理前的铜铜基体致致密性较较差,存在较多多的显微微孔洞,这些孔洞洞的存在在使材料料点阵结结构的完完整性与与材料连连续性遭遭到破坏坏。深冷冷处理后后材料中中的显微微孔洞数数量比未未深冷处处理的明明显减少少,基体致密密程度明明显提高高。深冷处理理前后铬铬锆铜合合金中ＣＣｒ分布布深冷处理理前后铬铬锆铜合合金中ＺＺｒ分布布深冷处理理前后铬铬锆铜合合金组织织ＳＥＭＭ面扫描描处理后试试样的铬铬、锆元元素分有有明显变变化。与与深冷前前相比,由于深冷冷处理导导致Ｃｒｒ、Ｚｒｒ在铜中中的溶解解度急剧剧减小,过饱和的的Ｃｒ、、Ｚｒ析析,铜基体上上出现了了大量弥弥散分布布的Ｃｒｒ、Ｚｒｒ颗粒。。电极电阻阻率测试试结果电极寿命命试验曲曲线深冷处理理未未深冷处处理电极深冷冷处理前前后所焊焊焊点用未深冷冷电极点点焊镀锌锌钢板,始终存在在飞溅、、粘电极极等现象象,而用深冷冷电极点点焊镀锌锌钢板时时,飞溅、粘粘电极等等现象大大大减小小,焊点表面面质量明明显改善善。Ｘ射线衍衍射的晶晶粒尺寸寸分析结结果深冷处理理提高了了电极基基体致密密性,改变了合合金元素素分布,提高了电电极的导导电、导导热能力力,使电极产产热减少少,导热能力力加强,避免了铜铜合金电电极与镀镀锌板的的合金化化倾向。。深冷处处理也细细化了电电极材料料的晶粒粒,提高了电电极抗压压溃变形形的能力力,使得点焊焊镀锌钢钢板的深深冷电极极寿命显显著提高高。总结结超声波焊焊接超声波焊焊接（Ultrasonicwelding，简称UW）是利用用超声波波的高频频振动，，在静压压力的作作用下，，将弹性性振动能能量转变变为工件件间的摩摩擦功和和形变能能，对焊焊件进行行局部清清理和加加热焊接接的一种种压焊方方法。主主要用于于连接同同种或异异种金属属、半导导体、塑塑料及金金属陶瓷瓷等材料料。超声波焊焊接原理理1－发生器器2－换能器器3－传振杆杆4－聚能器器5－耦合杆杆6－静载7－上声极极8－工件9－下声极极F－静压力力v1－纵向振振动方向向v2－弯曲振振动方向向超声波焊焊接原理理待焊构件件8被夹持在在上声极极7和下声极极9之间，并并施加一一定的压压力进行行焊接。。所需的的焊接热热能是通通过一系系列能量量转换及及传递环环节而获获得的，，超声波波发生器器是一个个变频装装置，它它将工频频电流转转变为超超声频率率(15~~60kHz))的振荡电电流。换换能器则则利用逆逆压电效效应转换换成弹性性机械振振动能。。传振杆杆、聚能能器用来来放大振振幅，并并通过耦耦合杆、、上声极极传递到到工件。。换能器器、传振振杆、聚聚能器、、耦合杆杆及上声声极构成成一个整整体，称称之为声声学系统统。超声波焊焊接原理理声学系统统各个组组元的自自振频率率，将按按同一个个频率设设计。当当发生器器的振荡荡电流频频率与声声学系统统的自振振频率一一致时，，系统即即产生了了谐振(共振)，并向工工件输出出弹性振振动能。。超声波焊焊接原理理超声波焊焊接时，，超声波波发生器器1产生每秒秒几万次次的高频频振动，，通过换换能器2、传动杆杆3、聚能器器4和耦合杆杆5向焊件输输入超声声波频率率的弹性性振动能能。两焊焊件的接接触界面面在静压压力和弹弹性振动动能量的的共同作作用下，，通过摩摩擦、温温升和变变形，使使氧化膜膜或其它它表面附附着物被被破坏，，并使纯纯净界面面之间的的金属原原子无限限接近，，实现可可靠连接接。超声波焊焊接原理理当金属构构件焊接接时，伴伴随界面面的物理理冶金过过程，原原子产生生结合与与扩散，，整个焊焊接过程程没有电电流流经经焊件，，也没有有火焰或或电弧等等热源的的作用，，而是一一种特殊殊的焊接接过程，，具有摩摩擦焊、、扩散焊焊或冷压压焊的某某些特征征。当塑塑料材料料进行连连接时，，由于两两焊件界界面处的的声阻大大，产生生局部高高温，致致使接触触面迅速速熔化，，在压力力的作用用下使其其融合为为一体；；当超声声波停止止作用后后，让压压力持续续几秒钟钟，使其其凝固定定型，形形成坚固固的分子子链，达达到焊接接的目的的，其接接头强度度和母材材相近。。接头形成成过程超声波焊焊接过程程与电阻阻焊类似似，由“预压”、“焊接”和“维持”3个步骤形形成一个个焊接循循环，从从接头形形成的微微观机理理上分析析，超声声波焊经经历了以以下三个个阶段：：振动摩擦擦阶段超声波焊焊的第一一个过程程主要是是摩擦过过程，其其相对摩摩擦速度度与摩擦擦焊相近近，只是是振幅仅仅仅为几几十微米米。这一一过程的的主要作作用是排排除工件件表面的的油污、、氧化物物等杂质质，使纯纯净的金金属表面面暴露出出来。焊焊接时，，由于上上声极的的超声振振动，使使其与上上焊件之之间产生生摩擦而而造成暂暂时的连连接，然然后通过过他们直直接将超超声振动动能传递递到焊件件间的接接触表面面上，在在此产生生剧烈的的相对摩摩擦，由由初期个个别凸点点之间的的摩擦，，逐渐扩扩大摩擦擦面，同同时破坏坏、排挤挤和分散散表面的的氧化膜膜及其它它附着物物。温度升高高阶段在继续的的超声波波往复摩摩擦过程程中，接接触表面面温度升升高（焊焊区的温温度约为为金属熔熔点的35％~50％），变变形抗力力下降，，在静压压力和弹弹性机械械振动引引起的交交变剪应应力的共共同作用用下，焊焊件间接接触表面面的塑性性流动不不断进行行，使已已被破碎碎的氧化化膜继续续分散甚甚至深入入到被焊焊材料内内部，促促使纯金金属表面面的原子子无限接接近到原原子能发发生引力力作用的的范因内内，出现现原子扩扩散及相相互结合合，形成成共同的的晶粒或或出现再再结晶现现象。固相接合合阶段随着摩擦擦过程的的进行，，微观接接触面积积越来越越大，接接触部分分的塑性性变形也也不断增增加，焊焊接区内内甚至形形成涡流流状的塑塑性流动动层（见见下图）），出现现焊件间间的机械械咬合。。焊接初初期咬合合点较少少，咬合合面积也也较少，，接合强强度不高高，很快快被超声声振动所所引起的的剪切应应力所破破坏。随随着焊接接过程的的进行，，咬合点点数和咬咬合面积积逐渐增增加，当当焊件之之间的结结合力超超过上声声极与上上焊件之之间的结结合力时时，切向向振动不不能切断断焊件之之间的结结合，形形成牢固固的接头头。超声波焊焊点区的的涡流状状塑性流流动层超声波焊焊接特点点可焊的材材料范围围广，可可用于同同种金属属材料、、特别是是高导电电、高导导热性的的材料(如金、银银、铜、、铝等)和一些难难熔金属属，也可可用于性性能相差差悬殊的的异种金金属材料料(如导热、、硬度、、熔点等等)、金属与与非金属属、塑料料等材料料的焊接接。还可可以实现现厚度相相差悬殊殊以及多多层箔片片等特殊殊结构的的焊接。。焊件不通通电，不不需要外外加热源源，接头头中不出出现宏观观的气孔孔等缺陷陷，不生生成脆性性金属间间化合物物，不发发生象电电阻焊时时易出现现的熔融融金属的的喷溅等等问题。。焊缝金属属的物理理和机械械性能不不发生宏宏观变化化，其焊焊接接头头的静载载强度和和疲劳强强度都比比电阻焊焊接头的的强度高高，且稳稳定性好好。超声波焊焊接特点点被焊金属属表面氧氧化膜或或涂层对对焊接质质量影响响较小，，焊前表表面推备备工作比比较简单单。形成接头头所需电电能少，，仅为电电阻焊的的5％；焊件件变形小小。不需要添添加任何何粘接剂剂、填料料或溶剂剂，具有有操作简简便，焊焊接焊接接速度快快、接头头强度高高、生产产效率高高等优点点。超声波焊焊的主要要缺点是是受现有有设备功功率的限限制，因因而与上上声极接接触的工工件厚度度不能太太厚，接接头形式式只能采采用搭接接接头，，对接接接头还无无法应用用。超声波焊焊接的两两种形式式按照超声声波弹性性振动能能量传入入焊件的的方向，，超声波波焊接的的基本类类型可以以分为两两类：一一类是振振动能由由切向传传递到焊焊件表面面而使焊焊接界面面产生相相对摩擦擦，这种种方法适适用于金金属材料料的焊接接；另一一类是振振动能由由垂直于于焊件表表面的方方向传入入焊件，，主要是是用于塑塑料材料料的焊接接。超声波焊焊接的两两种形式式a)切向传递递b)垂直传递递D－振动方方向1－聚能器器2－上声极极3－工件4－下声极极超声波焊焊接分类类超声点焊焊超声环焊焊超声缝焊焊超声线焊焊超声点焊焊点焊是应应用最广广的一种种焊接形形式，根根据振动动能量的的传递方方式，可可以分为为单侧式式、平行行两侧式式和垂直直两侧式式。振动动系统根根据上声声极的振振动方向向也可以以分为纵纵向振动动系统、、弯曲振振动系统统以及介介于两者者之间的的轻型弯弯曲振动动系统。。功率500W以下的小小功率焊焊机多采采用轻型型结构的的纵向振振动，千千瓦以上上的大功功率焊机机多采用用重型结结构的弯弯曲振动动系统，，而轻型型弯曲振振动系统统适用于于中小功功率焊机机，它兼兼有两种种振动系系统的优优点。超声波点点焊的类类型a)b)c)a）纵向振振动系统统b）弯曲振振动系统统c）轻型弯弯曲振动动系统超声环焊焊超声环焊焊主要用用于一次次成形的的封闭形形焊缝，，能量传传递采用用的是扭扭转振动动系统。。焊接时时，耦合合杆带动动上声极极作扭转转振动，，振幅相相对于声声极轴线线呈对称称分布，，轴心区区振幅为为零，边边缘位置置振幅最最大。该该类焊接接方法最最适合于于微电子子器件的的封装工工艺，有有时环焊焊也用于于对气密密要求特特别高的的直线焊焊缝的场场合，用用来代替替缝焊。。由于环环焊的一一次焊缝缝的面积积较大，，需要有有较大的的功率输输入，因因此常常常采用多多个换能能器的反反向同步步驱动方方式。超声波环环焊的工工作原理理1－换能器器2、3－聚能器器4－耦合杆杆5－上声极极6－工件7－下声极极F－静压力力V－振动方方向超声缝焊焊和电阻焊焊中的缝缝焊类似似，超声声波缝焊焊实质上上是由局局部相互互重叠的的焊点形形成一条条连续焊焊缝。缝缝焊机的的振动系系统按其其焊盘振振动状态态可分为为纵向振振动、弯弯曲振动动以及扭扭转振动动等三种种形式（（见图10-6）。其中中最常见见的是纵纵向振动动形式，，只是滚滚盘的尺尺寸受到到驱动功功率的限限制。缝缝焊可以以获得密密封的连连续焊缝缝，通常常工件被被夹持在在上下焊焊盘之间间，在特特殊情况况下可采采用平板板式下声声级。超声波缝缝焊的振振动形式式a)纵向振动动b)弯曲振动动c)扭转振动动××－：A－焊盘上上振幅分分布v1－聚能器器上振动动方向v2－焊点上上的振动动方向⊙－垂直直于纸面面(向外)超声线焊焊它是点焊焊方法的的一种延延伸，利利用线状状上声极极，在一一个焊接接循环内内形成一一条狭窄窄的直线线状焊缝缝，声极极长度就就是焊缝缝的长度度，现在在可以达达到150mm长，这种种方法最最适用于于金属薄薄箔的封封口。超声波线线焊示意意图1－换能器器2－聚能器器3－125mm长焊接声声极头4－周围绕绕放罐型型坯料的的心轴v－振动方方向F－静压力力双超声波波振动系系统的点点焊采用两个个不同频频率的振振动系统统来完成成一个焊焊点的点点焊示意意图，上上下两个个振动系系统的频频率分别别为27kHz和20kHz(或15kHz)，上下振振动系统统的振动动方向相相互垂直直，焊接接时二者者作直交交振动。。当上下下振动系系统的电电源各为为3kW时，可焊焊铝件的的厚度达达10mm，焊点强强度达到到材料本本身的强强度。双双超声波波振动系系统多用用于集成成电路和和晶体管管细导线线的焊接接，虽然然焊接方方法与点点焊基本本相同，，但焊接接设备复复杂，要要求设备备的控制制精度高高，以便便实现焊焊点的高高质量和和高可靠靠性焊接接。超声波对对焊超声对焊焊主要用用于金属属的对接接，原理理如图所所示，焊焊接设备备由上下下振动系系统提供供接触压压力的液液压源和和焊件夹夹持装置置等部分分组成。。左边焊焊件的一一端由夹夹具固定定，另一一端夹在在上、下下振动系系统之间间作超声声振动；；右焊件件端面与与左端面面对接，，并由夹夹具夹紧紧，接触触压力加加在右侧侧焊件上上。焊接接时，在在超声振振动的作作用下即即可把两两个焊件件在端面面焊接在在一起。。应注意意，上、、下振动动系统的的振动相相位必须须相反，，上振动动系统可可以是无无源的。。目前可可以实现现6mm厚、100～400mm宽铝板的的对接。。超声波焊焊接参数数选择超声波焊焊的主要要参数有有振动频频率f、振幅A、静压力力p及焊接时时间t，此外还还应考虑虑超声波波功率的的选择以以及各参参数之间间的相互互影响。。在超声声波焊接接中，点点焊应用用的最普普遍，下下面以点点焊为例例讨论各各参数对对焊接质质量的影影响。振动频率率振动频率率主要是是指谐振振频率的的数值和和谐振频频率精度度。谐振振频率一一般在15～75kHz之间，频频率的选选择应考考虑被焊焊材料的的物理性性能和厚厚度，焊焊件较薄薄时选用用比较高高的谐振振频率，，焊件较较厚、焊焊接材料料的硬度度及屈服服强度较较低时选选用较低低的谐振振频率。。这是由由于在维维持声功功能不变变的前提提下，提提高振动动频率可可以降低低振幅，，因而可可降低薄薄件因交交变应力力引起的的疲劳破破坏。振动频率率振动频率率对焊点点抗剪强强度有影影响，材材料越硬硬、厚度度越大时时，频率率的影响响越明显显。应注注意，随随着频率率的提高高，高频频振荡能能量在声声学系统统中的损损耗将增增大，因因此大功功率超声声波点焊焊机的频频率比较较低，一一般在15～20kHz范围内。。谐振频频率的精精度是保保证焊点点质量稳稳定的重重要因素素，由于于超声波波焊接过过程中机机械负荷荷的多变变性，会会出现随随机的失失谐现象象，造成成焊接质质量不稳稳定。振幅振幅是决决定着摩摩擦功率率的大小小，关系系到焊接接面氧化化膜的去去除、结结合面的的摩擦产产热、塑塑性变形形区域的的大小及及塑性流流动层的的状况等等。因此此，根据据被焊材材料的性性质及其其厚度正正确选择择振幅的的数值是是获得高高可靠接接头的前前提。振振幅的选选用范围围一般为为5～25mm，小功率率超声波波焊机一一般具有有高的振振动频率率，但振振幅范围围较低。。低硬度度的焊接接材料或或较薄的的焊件应应选用较较低的振振幅，随随着材料料硬度及及厚度的的提高，，所选用用的振幅幅也应相相应提高高。这是是因为振振幅的大大小对应应着焊件件接触表表面相对对移动速速度的大大小，而而焊接区区的温度度、塑性性流动以以及摩擦擦功的大大小又由由该相对对移动速速度所确确定。对对于具体体的焊件件，存在在一个合合适的振振幅范围围。振幅超声波焊焊机的换换能器材材料和聚聚能器结结构决定定焊机振振幅的大大小，当当他们确确定以后后，要改改变振幅幅，一般般是通过过调节超超声波发发生器的的电参数数来实现现。此外外，振幅幅值的选选择与其其他参数数有关，，应综合合考虑。。必须指指出，在在合适的的振幅范范围内，，采用偏偏大的振振幅可大大大缩短短焊接时时间，提提高焊接接生产效效率。静压力静压力的的作用是是通过声声极使超超声振动动有效地地传递给给焊件，，当静压压力过低低时，不不足以在在焊件界界面产生生一定的的摩擦功功，超声声波能量量几乎全全部损耗耗在上声声极与焊焊件之间间的表面面滑动方方面，因因此不可可能形成成有效的的连接。。随着静压压力的增增加，改改善了振振动的传传递条件件，使焊焊区温度度升高，，材料的的变形抗抗力下降降，塑性性流动的的程度逐逐渐加剧剧，另外外由于压压应力的的增加，，接触处处塑性变变形的面面积及连连接面积积增加，，因而接接头的强强度增加加。当静压力力达到一一定数值值后，再再增加压压力，接接头强度度不再提提高或反反而下降降，这是是因为当当静压力力过大时时，振动动能量不不能合理理地利用用，使摩摩擦力过过大，造造成焊件件间的相相对摩擦擦运动减减弱，甚甚至会使使振幅值值有所降降低，导导致了焊焊件间的的连接面面积不再再增加或或有所减减小，加加之材料料压溃造造成接头头的实际际接合截截面减少少，使焊焊点强度度降低。。在其它焊焊接条件件不变的的情况下下，选用用偏高的的静压力力，可以以在较短短的焊接接时间内内得到同同样强度度的焊点点，这是是因为偏偏高的静静压力能能在振动动早期较较低的温温度下产产生塑性性变形。。同时，，选用偏偏高的静静压力，，能在较较短的时时间内达达到最高高的温度度，缩短短了焊接接时间。。焊接时间间焊接时间间对接头头质量有有很大影影响，焊焊接时间间太短时时，表面面的氧化化膜来不不及被破破坏，只只形成几几个凸点点间的接接触，则则接头强强度过低低，甚至至不能形形成接头头。随着着焊接时时间的延延长，焊焊点强度度迅速提提高，在在一定的的焊接时时间内强强度值不不降低。。但当超超声波焊焊接时间间超过一一定值以以后，焊焊点强度度反而下下降，这这是由于于焊件的的热输入入量过大大，塑性性区扩大大，上声声极陷入入工件，，除了降降低焊点点的截面面积以外外，还容容易引起起焊点表表面和内内部产生生裂纹。。焊接功率率超声波焊焊接时，，功率的的选择主主要取决决于工件件的厚度度和材料料的硬度度，由于于在实际际应用中中超声功功率的测测量尚有有困难，，因此常常常用振振幅来表表示功率率的大小小，超声声功率与与振幅的的关系可可下式确确定：式中—超声功率率；—静压力；；—焊点面积积；—相对速度度；—振幅；—摩擦系数数；—角频率；；—振动频率率。上述几个个焊接参参数之间间并不实实孤立的的，而是是相互影影响、相相互关联联，应统统筹考虑虑。例如如，塑料料材料的的超声波波焊接时时，接头头质量的的好坏取取决于换换能器的的振幅、、所加压压力及焊焊接时间间等因素素的相互互配合。。焊接时时间t和焊头压压力F是可以调调节的，，振幅由由换能器器和变幅幅杆决定定，这三三个量相相互有最最佳选择择值。焊焊接能量量超过合合适值时时，材料料的熔解解量大，，产生较较大的变变形。若若焊接能能量太小小，则不不易焊牢牢。除了焊接接参数以以外，上上声极材材料、形形状尺寸寸及其表表面状态态等因素素也对焊焊接质量量有影响响。扩散连接接技术近年来，，新材料料在生产产中应用用，经常常遇到这这些材料料本身或或与其他他材料的的连接问问题。一一些新材材料如陶陶瓷、金金属间化化合物、、非晶态态材料及及单晶合合金等等等可焊性性差，用用传统熔熔焊方法法，很难难实现可可靠的连连接。随随着技术术的发展展，一些些特殊的的高性能能构件的的制造，，往往要要求把性性能差别别较大的的异种材材料，如如金属与与陶瓷、、铝与钢钢、钛与与钢、金金属与玻玻璃等连连接在一一起，这这也是传传统熔焊焊方法难难以实现现的，现现在不但但要连接接金属，，而且要要连接非非金属，，或金属属与非金金属。因因此，连连接所涉涉及的范范围远远远超出传传统熔焊焊的概念念。为了了适应这这种要求求，近年年来作为为固相连连接的方方法之一一扩散连连接技术术引起人人们的重重视，成成为连接接领域新新的研究究热点，，正在飞飞速发展展。这种种技术已已广泛用用于航天天、航空空、仪表表及电子子等国防防部门，，并逐步步扩展到到机械、、化工及及汽车制制造等领领域。扩散连接接方法特特点1）接合区区域无凝凝固(铸造)组织，不不生成气气孔、宏宏观裂纹纹等熔焊焊时的缺缺陷。2）同种材材料接合合时，可可获得与与母材性性能相同同的接头头，几乎乎不存在在残余应应力。3）可以实实现难焊焊材料的的连接。。对于塑塑性差或或熔点高高的同种种材料、、互相不不溶解或或在熔焊焊时会产产生脆性性金属间间化合物物的异种种材料（（包括金金属与陶陶瓷），，扩散连连接是可可靠的连连接方法法之一。。4）精度高高，变形形小，精精密接合合。5）可以进进行大面面积板及及圆柱的的连接。。6）采用中中间层可可减少残残余应力力。扩散连接接的缺点点1）无法进进行连续续式批量量生产。。2）时间长长，成本本高。3）接合表表面要求求严格。。4）设备一一次性投投资较大大，且连连接工件件的尺寸寸受到设设备的限限制。扩散连接接原理扩散连接接是压力力焊一种种变形，，与常用用压力焊焊方法（（冷压焊焊、摩擦擦焊、爆爆炸焊、、超声波波焊）相相同的是是在连接接过程中中要施加加一定的的压力，，不同:温度-压力强度度及过程程持续时时间。扩散连接接是零件件整体连连接的方方法，这这种连接接接头是是在原子子水平上上形成的的，它是是相互接接触的表表面，在在高温和和压力的的作用下下，被连连接表面面相互靠靠近，局局部发生生塑性变变形，经经一定时时间后保保证结合合层原子子间相互互扩散，，形成整整体水平平上的可可靠连接接。扩散连接接分类固态扩散连接扩散连接加中间层的扩散连接不加中间层的扩散连接真空扩散连接气体保护扩散连接溶剂保护扩散连接烧结－扩散连接瞬时液相扩散连接超塑性成形－扩散连接固相扩散连接接过程第一阶段段为物理理接触阶阶段，这这是保证证整个表表面都可可靠接触触，只有有接触面面达到一一定的距距离，原原子间才才能相互互作用形形成原子子间的结结合，才才能形成成可靠的的连接。。在高温温下微观观不平的的表面，，在外加加压力的的作用下下，总有有一些点点首先达达到塑性性变形，，在持续续压力的的作用下下，接触触面逐渐渐增大，，而达到到整个面面的可靠靠接触。。第二阶段段则是接接触的表表面原子子间的相相互扩散散，形成成牢固的的结合层层。第三阶段段是在接接触的部部分形成成的结合合层，逐逐渐向体体积方向向发展，，形成可可靠的连连接接头头。扩散连接接的三阶阶段模型型示意图图a)凹凸不平平的初始始接触b)变形和形形成部分分界面阶阶段c)元素相互互扩散和和反应阶阶段d)体积扩散散及微孔孔消除阶阶段a)b)c)d)上述过程程相互交交叉进行行，最终终在连接接界面处处由于扩扩散、再再结晶等等生成固固溶体及及共晶体体，有时时生成金金属间化化合物，，形成可可靠的连连接接头头。该过过程不但但应考虑虑扩散过过程，同同时应考考虑界面面生成物物的性质质，如性性能差别别较大的的两种金金属，在在高温长长时间扩扩散时，，界面极极易生成成脆性金金属间化化合物，，而使接接头性能能变差。。液相扩散散连接基基本原理理液相扩散散连接方方法自20世纪50年代以来来，在弥弥散强化化高温合合金、纤纤维增强强复合材材料、异异种金属属材料以以及新型型材料的的连接中中得到了了大量应应用。该该方法也也称瞬时时液相扩扩散连接接（TransientLiquitPhase），通常常采用比比母材熔熔点低的的材料作作中间夹夹层，在在加热到到连接温温度时，，中间层层熔化，，在结合合面上形形成瞬间间液膜，，在保温温过程中中，随着着低熔点点组元向向母材的的扩散，，液膜厚厚度随之之减小直直至消失失，再经经一定时时间的保保温而使使成分均均匀化（（如图8下所示））。瞬时液相相扩散连连接过程程示意图图a)形成液相相b)低熔点元元素向母母材扩散散c)等温凝固固d)等温凝固固结束e)成分均匀匀化液相扩散散连接液相的生生成将将中间扩扩散夹层层材料夹夹在被连连接表面面之间，，施加一一定的压压力，或或依靠工工件自重重使相互互接触。。然后在在无氧化化或无污污染的条条件下加加热，当当加热到到连接温温度TB时，形成成共晶液液相（上上图a）。等温凝固固过程液液相形形成并充充满整个个焊缝缝缝隙后，，应立即即开始保保温，使使液-固相之间间进行充充分的扩扩散，由由于液相相中使熔熔点降低低的元素素大量扩扩散至母母材内（（图b），母材材中某些些元素向向液相中中溶解，，使液相相的熔点点逐渐升升高而凝凝固，凝凝固界面面从两侧侧向中间间推进（（图c）。随着着保温时时间的延延长，接接头中的的液相逐逐渐减少少，最后后形成接接头（图图d）。成分均匀匀化等等温凝固固形成的的接头，，成分很很不均匀匀。为了了获得成成分和组组织均匀匀的接头头，需要要继续保保温扩散散（图e）。超塑成形形扩散连连接基本本原理超塑性是是指在一一定的温温度下，，对于等等轴细晶晶粒组织织，当晶晶粒尺寸寸、材料料的变形形速率小小于某一一数值时时，拉伸伸变形可可以超过过100％、甚至至达到数数千倍，，这种行行为叫做做材料的的超塑性性行为。。材料的的超塑性性成形和和扩散连连接的温温度在同同一温度度区间，，因此可可以把成成形与连连接放在在一起进进行，而而构成超超塑成形形扩散连连接工艺艺。用这这种方法法可以制制造钛合合金薄壁壁复杂结结构件（（飞机大大型壁板板、翼梁梁、舱门门、发动动机叶片片），并并已经在在航天、、航空领领域得到到应用，，如波音音747飞机上有有70多个钛合合金结构构件就是是应用这这种方法法制造的的。用这这种方法法制成的的结构件件，质量量小，刚刚度大，，可减轻轻质量30％，降低低成本50％，提高高加工效效率20倍。扩散连接接参数选选择扩散连接接参数主主要有温温度、压压力、时时间、气气氛环境境和试件件的表面面状态，，这些因因素之间间相互影影响、相相互制约约，在选选择焊接接参数时时应统筹筹考虑。。此外，，扩散连连接时还还应考虑虑中间层层材料的的选用。。连接温度度连接温度度T越高，扩扩散系数数愈大，，金属的的塑性变变形能力力愈好，，连接表表面达到到紧密接接触所需需的压力力愈小。。但是，，加热温温度受到到再结晶晶、低熔熔共晶和和金属间间化合物物生成等等因素的的影响。。因此，，不同材材料组合合的连接接温度，，应根据据具体情情况，通通过实验验来选定定。从大大量实验验结果看看，连接接温度大大都在0.5～0.8Tm(母材熔化化温度)范围内，，最适合合的温度度一般为为T≈0.7Tm。对瞬时时液相扩扩散连接接温度的的选择，，常在可可生成液液相的最最低温度度附近，，温度过过高将引引起母材材的过量量溶解。。保温时间间扩散连接接时间t（也称保保温时间间）主要要决定原原子扩散散和界面面反应的的程度，，同时也也对所连连接金属属的蠕变变产生影影响。连连接时间间不同，，所形成成的界面面产物和和界面结结构不同同。扩散散连接时时，要求求接头成成分均匀匀化的程程度越高高，保温温时间就就将以平平方的速速度增长长。实际际扩散连连接工艺艺中保温温时间从从几分钟钟到几小小时，甚甚至达到到几十小小时。但但从提高高生产率率考虑，，保温时时间越短短越好。。缩短保保温时间间，必须须相应提提高温度度与压力力。接头强度度一般是是随时间间的增加加而上升升，而后后逐渐趋趋于稳定定。接头头的塑性性，延伸伸率和冲冲击韧性性与保温温扩散时时间的关关系也与与此相似似。连接压力力扩散连接接时的压压力主要要促使连连接表面面产生塑塑性变形形及达到到紧密接接触状态态，使界界面区原原子激活活，加速速扩散与与界面孔孔洞的弥弥合及消消失，防防止扩散散孔洞的的产生。。压力愈愈大，温温度愈高高，紧密密接触的的面积也也愈多。。但不管管压力多多大，在在扩散连连接的初初期不可可能使连连接表面面达到100%%的紧密接接触状态态，总有有一小部部分演变变成界面面孔洞。。目前，，扩散连连接规范范中应用用的压力力范围很很宽，最最小只有有0.04MPa(瞬时液相相扩散连连接)，最大可可达350MPa（热等静静压扩散散连接）），而一一般压力力约为10~30MPa。与连接接温度和和时间的的影响一一样，压压力也存存在最佳佳值，在在其他规规范参数数不变的的条件下下，最佳佳压力时时接头可可以获得得最佳强强度。环境气氛氛扩散连接接一般在在真空、、不活性性气体（（Ar、N2）或大气气气氛环环境下进进行，一一般来说说，真空空扩散连连接的接接头强度度高于在在不活性性气体和和空气中中连接的的接头强强度。真真空中的的材料在在温度升升高时，，气体会会从零件件和真空空室内壁壁中析出出，计算算和实验验结果表表明，真真空室内内的真空空度在常常用的规规范范围围内（1.33~1..33××10--3Pa），就足足以保证证连接表表面达到到一定的的清洁度度，从而而确保实实现可靠靠连接。。表面状态态表面粗糙糙度的影影响几几乎所有有的焊接接件都需需要由机机械加工工制成，，不同的的机械加加工方法法，获得得的粗糙糙等级不不同。扩扩散连接接的试件件一般要要求表面面粗糙度度应达到到Ra＞2.5mm（6）以上。。表面清理理待连连接零件件在扩散散连接前前的加工工和存放放过程中中，被连连接表面面不可避避免地形形成氧化化物、覆覆盖着油油脂和灰灰尘等。。在连接接前需经经过脱脂脂、去除除氧化物物及气体体处理等等工艺过过程。中间层选选择两种材料料结晶化化学性能能差别较较大，这这两种材材料连接接时，极极易在接接触界面面生成脆脆性金属属间化合合物。两两种材料料的热膨膨胀系数数差别大大，在接接头区域域极易产产生很大大的内应应力。针针对这些些问题为为了获得得高质量量的接头头，则要要选择中中间层，，使中