超聲波焊概述和工藝設(shè)備講解

1、超聲波焊概述和工藝設(shè)備講解6.1 超聲波焊概述6.2 超聲波焊的工藝設(shè)備6.3 典型材料的超聲波焊綜合知識模塊 6.1 超聲波焊概述 超聲波焊接（ultrasonic welding，USW )是兩焊件在壓力作用下，利用超聲波的高頻振蕩，使焊件接觸表面產(chǎn)生強烈的摩擦作用，以清除表面氧化物并加熱焊件而實現(xiàn)焊接的一種固態(tài)焊接方法。 6.1 超聲波焊概述6.1.1 超聲波焊基本原理6.1.2 超聲波焊的種類6.1.3 超聲波的特點及應(yīng)用6.1.1 超聲波焊基本原理一、基本原理 二、接頭形成過程 一、基本原理超聲波焊原理示意圖1-發(fā)生器 2-換能器 3-聚能器 4-耦合桿 5-上聲極 6-焊件 7-下

2、聲極A-振幅分布 I-超聲波振蕩電流F-靜壓力 V1-縱向振動方向V2-彎曲振動方向1560kHz 利用逆壓電效應(yīng)將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機械振動能 用來放大振幅并耦合負(fù)載 超聲波焊接中能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程示意圖 二、接頭形成過程 1振動摩擦階段 超聲波焊初期，由于上聲極的超聲振動，使其與上焊件之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時的連接，然后通過它們直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點之間的摩擦逐漸擴大到面摩擦，同時破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其他附著物。 二、接頭形成過程 2溫度升高階段接觸表面溫度升高，當(dāng)焊合區(qū)的溫度約為金屬熔點的3550%時，變形抗力下降;在靜壓力

3、和彈性機械振動引起的交變切應(yīng)力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動不斷進行;使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入到被焊材料內(nèi)部，促使純金屬表面的原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，出現(xiàn)原子擴散及相互結(jié)合，形成共同的晶粒或出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。 二、接頭形成過程 3固相接合階段 隨著摩擦過程的進行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內(nèi)甚至形成渦流狀的塑性流動層，導(dǎo)致焊件表面之間的機械咬合;引起了物理冶金反應(yīng)，在結(jié)合面上產(chǎn)生聯(lián)生晶粒，出現(xiàn)再結(jié)晶、擴散、相變及金屬間的鍵合等冶金現(xiàn)象，形成牢固的接頭。 超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層 6.1.2 超聲波焊的種類根據(jù)超聲波彈性振動

4、能量傳入焊件的方向，可分成兩類：一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面之間產(chǎn)生相對摩擦用于金屬材料的焊接 ;另一類是振動能由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要用于塑料的焊接。超聲波焊接的接頭必須是搭接接頭，根據(jù)接頭焊縫的形式，金屬超聲波焊可分為點焊、縫焊、環(huán)焊和線焊等幾種類型。超聲波焊的兩種類型a）切向傳遞 b）垂直傳遞 V-振動方向 F-靜壓力 1-聚能器 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極1. 點焊 焊接時焊件在圓柱狀的上下聲極壓緊下實施焊接的，每次完成一個焊點。 按能量傳遞方式分，點焊可分為單側(cè)式和雙側(cè)式 。按振動系統(tǒng)分，點焊可采用縱向振動系統(tǒng)、彎曲振動系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲

5、振動系統(tǒng)。 超聲波點焊示意圖1-靜壓力 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極 V-振動方向2. 環(huán)焊 用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。焊縫一般是圓環(huán)形的，也可以是正方形、矩形或橢圓形的。上聲極的表面按所需要的焊縫形狀制成。 超聲波環(huán)焊示意圖 1-換能器 2、3-聚能器 4-耦合桿 5-上聲極 6-焊件 7-下聲極 F-靜壓力 V-振動方向 3縫焊 焊件夾持在圓盤狀上、下聲極之間，連續(xù)焊接獲得局部相互重疊的焊點，從而形成一條連續(xù)焊縫 。 根據(jù)圓盤狀聲極的振動狀態(tài)，超聲波縫焊可分為縱向振動、彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動三種形式。 4線焊 線焊是利用線狀上聲極或?qū)⒍鄠€點焊聲極疊合在一起，在

6、一個焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫，也可以看成是點焊的一種延伸。 超聲波線焊示意圖 1-換能器 2-聚能器 3-焊接聲極頭（長125mm） 4-心軸 V-振動方向 F-靜壓力 6.1.3 超聲波的特點及應(yīng)用一、超聲波焊的特點 二、超聲波焊的應(yīng)用范圍 一、超聲波焊的特點1可焊材料范圍廣 2特別適用于金屬箔片、細(xì)絲以及微型器件的焊接 3焊件不熔化，焊接溫度相對較低，焊件變形小 4被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小 5與電阻點焊比較，耗電功率小 6操作簡便、焊接速度快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點 可以焊接厚薄相差懸殊焊件7.目前僅限于焊接絲、箔、片等細(xì)薄件，且只限于搭接接頭形式。8.焊點表面容易因高頻機械

7、振動而引起邊緣的疲勞破壞，對焊接硬而脆的材料不利。 9.缺乏精確的無損檢測方法和設(shè)備，因此超聲波焊接質(zhì)量目前難以進行在線準(zhǔn)確檢驗，在實際生產(chǎn)中還難以實現(xiàn)大批量機械化生產(chǎn)。二、超聲波焊的應(yīng)用范圍 1電子工業(yè) 2電器工業(yè) 3包裝工業(yè) 4航空航天及核能工業(yè) 5塑料工業(yè) 6其他應(yīng)用 6.2 超聲波焊的工藝設(shè)備6.2.1 超聲波焊的工藝6.2.2 超聲波焊設(shè)備6.2.1 超聲波焊的工藝一、接頭設(shè)計 二、焊件表面準(zhǔn)備 三、上聲極的選用四、焊接參數(shù)的選擇 一、接頭設(shè)計1邊距e 2點距s 3行距r 二、焊件表面準(zhǔn)備超聲波焊時，對焊件表面不需進行嚴(yán)格清理，因為超聲振動本身對焊件表面層有破碎清理作用。 焊件表面被

8、嚴(yán)重氧化或已有銹蝕層，焊前仍需清理，通常采用機械磨削或化學(xué)腐蝕方法清除。 三、上聲極的選用 上聲極所用的材料、端面形狀和表面狀況等會影響到焊點的強度和穩(wěn)定性。 焊接鋁、銅、銀等較軟金屬的聲極材料較多采用高速鋼、滾珠軸承鋼；焊接鈦、鋯、高強度鋼及耐磨合金常采用沉淀硬化型鎳基超級合金等作為上聲極。 四、焊接參數(shù)的選擇 1. 焊接功率 超聲波焊接功率隨焊件厚度和硬度的增加而增加。 2. 振動頻率 諧振頻率的選擇以焊件的厚度及物理性能為依據(jù)，一般控制在1575 kHz之間。 薄件焊接時，宜選用較高的諧振頻率，因為在維持機械能不變的前提下，提高振動頻率就可以相應(yīng)降低振幅，從而減輕薄件因交變應(yīng)力而可能引起

9、的疲勞破壞。焊接厚件時或焊接硬度及屈服強度都比較低的材料時，宜選用較低的振動頻率。 3振幅 振幅是超聲波焊接工藝的主要焊接參數(shù)之一，它決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到材料表面氧化膜的清除效果、塑性流動的狀態(tài)以及結(jié)合面的加熱溫度等，因此根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度來正確選擇振幅值是獲得良好接頭質(zhì)量的保證。 4. 靜壓力 靜壓力是直接影響功率輸出及焊件變形條件的重要因素。靜壓力的選用取決于材料的厚度、硬度、接頭形式和使用的超聲波功率。 5. 焊接時間 焊接時間是指超聲波能量輸入焊件的時間。 焊接時間的選擇隨材料性質(zhì)、厚度及其他焊接參數(shù)而定，高功率和短時間的焊接效果通常優(yōu)于低功率和較長時間的焊接效果。 上

10、述幾個焊接參數(shù)之間并不是孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。 6.2.2 超聲波焊設(shè)備一、超聲波焊接設(shè)備的組成 二、部分國產(chǎn)超聲波點焊機的型號及技術(shù)參數(shù) 一、超聲波焊接設(shè)備的組成 1超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器是用來將工頻（50Hz）電流變換成1560kHz的振蕩電流，并通過輸出變壓器與換能器相匹配。 超聲波發(fā)生器必須與聲學(xué)系統(tǒng)相匹配才能使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，獲得高效率的輸出功率。 2聲學(xué)系統(tǒng) 聲學(xué)系統(tǒng)由換能器、聚能器、耦合桿和聲極組成。 1）換能器 2）聚能器 3）耦合桿 4）聲極 3. 加壓機構(gòu) 向焊接部位施加靜壓力的加壓機構(gòu)主要有液壓、氣壓、電磁加壓和自重加壓等。大功率超聲波焊機多采

11、用液壓方式，沖擊力?。恍」β食暡ê笝C多用電磁加壓或自重加壓方式，這種方式可以匹配較快的控制程序。 4. 程序控制器 二、部分國產(chǎn)超聲波點焊機的型號及技術(shù)參數(shù) 6.3 典型材料的超聲波焊超聲波焊屬于固相焊接，目前主要用于小型薄件的焊接，焊接質(zhì)量可靠，經(jīng)濟性較好。超聲波焊不僅可以焊接鋁、銅、金等較軟的金屬材料，也可用于鋼鐵材料、鎢、鈦、鉬等金屬的焊接，物理性質(zhì)相差懸殊的異種金屬，甚至金屬與半導(dǎo)體、金屬與陶瓷等非金屬以及塑料等異種材料均可以采用超聲波焊。 6.3 典型材料的超聲波焊6.3.1 同種材料的超聲波焊6.3.2 異種材料的超聲波焊6.3.1 同種材料的超聲波焊超聲波焊接金屬材料時，最常用

12、的方法是點焊。 超聲波焊接易于實現(xiàn)同種金屬材料的可靠連接 。利用超聲波焊接不同厚度的組合焊件時，超聲振動應(yīng)從比較薄的焊件一方導(dǎo)入，焊接參數(shù)也是根據(jù)薄焊件的厚度來確定。 6.3.1 同種材料的超聲波焊一、同種金屬材料的焊接 二、塑料的超聲波焊 一、同種金屬材料的焊接1鋁及鋁合金的焊接 2銅及銅合金的焊接 3鈦及鈦合金的焊接 4高熔點材料的焊接 1鋁及鋁合金的焊接鋁及鋁合金是應(yīng)用超聲波焊最多，也是最能顯示出這種焊接方法優(yōu)越性的材料。 對于較低強度的鋁合金，超聲波點焊和電阻點焊或縫焊的接頭強度大致相同。 超聲波焊接鋁及鋁合金的表面準(zhǔn)備要求比其他任何一種焊接方法都低。正常情況下，鋁的表面一般進行脫脂處

13、理。 2銅及銅合金的焊接銅及銅合金的焊接性好，焊前需要對表面進行清洗，去除油污，焊接參數(shù)和設(shè)備選擇與鋁合金相似。 3鈦及鈦合金的焊接鈦及鈦合金具有很好的焊接性，焊接參數(shù)選擇范圍比較寬。焊點經(jīng)顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，有時產(chǎn)生的相變，也有未經(jīng)相變的焊點組織，但均能獲得滿意的接頭強度。 4高熔點材料的焊接 對于金屬鉬、鎢等高熔點的材料，由于超聲波焊可避免接頭區(qū)的加熱脆化現(xiàn)象，從而可獲得高強度的焊點質(zhì)量。 高硬度金屬材料之間的超聲波焊接、或焊接性較差的金屬材料之間的焊接，可通過添加中間過渡層的方法實現(xiàn)超聲波焊接。 對于多層金屬結(jié)構(gòu)，也可以采用超聲波焊。 二、塑料的超聲波焊塑料焊接時，通常盡量將焊件的結(jié)合面置

14、于諧振曲線的波節(jié)點上，以便在這里釋放出最高的局部熱量，以使材料受熱熔化達(dá)到焊接的目的。 塑料超聲波焊機一般由超聲波發(fā)生器、焊壓臺和焊具三大部分組成。 優(yōu)點 1焊接效率高，焊接時間不超過1s。2焊前焊件表面可不處理，由于殘存在塑料零件上的水、油、粉末、溶液等不會影響正常焊接，因而特別適用于各類物品的封裝焊。 3焊接過程僅在焊合面上發(fā)生局部熔化，因而可避免污染工作環(huán)境，而且焊點美觀，不產(chǎn)生混濁物，可獲得全透明的焊接成品。 焊接結(jié)晶性塑料和軟質(zhì)塑料時，需要在離振頭較近的近場區(qū)焊接。超聲波焊主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和線材等，在焊接時不需加熱或添加任何溶劑和粘結(jié)劑。 塑料超聲波焊的焊接面預(yù)加工有一些特殊要求，在焊接面上，常設(shè)計帶有尖邊的超聲波導(dǎo)能筋 。焊接模塑件時，超聲