特種焊接技術(shù)第五章超聲波焊接

特種焊接技術(shù)第五章超聲波焊接第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

人耳只能感覺到

20～20000Hz

頻率的聲波，高于20000Hz

的聲波就是超聲波了。超聲波廣泛地應(yīng)用在多種技術(shù)中，超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這兩個特點展開的。超聲波焊是利用超聲頻率的機械振動能量和靜壓力的共同作用，對焊件接頭進行局部加熱和表面清理，然后施加壓力實現(xiàn)焊接的一種壓力焊方法。連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、金屬與金屬陶瓷的方法。焊接時，利用是在靜壓力作用下將彈性振動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能及有限升溫。接頭間冶金結(jié)合是在母材不熔化情況下實現(xiàn)的，屬于固態(tài)焊接。2第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日§1超聲波焊原理及分類

一、超聲波焊接的原理

（一）超聲波特性及焊接過程

金屬超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力下將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能及隨后的溫升。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實現(xiàn)的。因此屬于固態(tài)焊接。

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-下聲級A-振幅分布F-靜壓力V1-縱向振動方向V2-彎曲振動方向I-超聲波震蕩電流超聲波焊原理圖3第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

在進行超聲波焊接時，通常由高頻發(fā)生器產(chǎn)生16~60KHz的高頻電流，通過激磁線圈產(chǎn)生交變磁場，使鐵磁材料在交變磁場中發(fā)生長度的交變伸縮（磁致伸縮），超聲頻率的電磁能便轉(zhuǎn)換成為振動能，再由傳送器傳至聲極；同時通過聲極對工件加壓，平行于連接面的機械振動起著破碎和清除工件表面氧化膜的作用，并加速金屬的擴散和再結(jié)晶過程。適當(dāng)選擇振蕩頻率，當(dāng)發(fā)生器振蕩電流頻率與聲學(xué)系統(tǒng)的自振頻率一致時，產(chǎn)生共振，在配合適當(dāng)壓力和焊接時間，即可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。焊件變形率一般低于3~5％。超聲波焊縫的形成過程主要由震動剪切力、靜壓力和接頭區(qū)的升溫三個因素所決定。4第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日超聲波焊接中能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程電網(wǎng)~焊件超聲波發(fā)生器磁致伸縮換能器聚能器上聲極傳振桿空氣-傳播超聲波聲能60~80kHz電磁振蕩50kHz60~80kHz機械振動16~80kHz.改變方向16~80kHz.機械振動機械振動超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層5第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

超聲波焊的兩個階段第一階段預(yù)壓階段。由于上聲極超聲振動，使其與上焊件間產(chǎn)生摩擦而造成暫時連接，然后通過它們直接將超聲波傳到焊件接觸面上，使其產(chǎn)生劇烈摩擦，清除表面油污、氧化物等雜質(zhì)，露出純凈的金屬表面，其振幅僅為幾十微米。此階段主要是摩擦過程，相對摩擦速度與摩擦焊相近。第二階段焊接階段，主要是應(yīng)力應(yīng)變階段。切應(yīng)力方向每秒鐘將變化幾千次，造成摩擦，當(dāng)焊件造成局部連接后，振動應(yīng)力和應(yīng)變將成為金屬間冶金結(jié)合的條件。即在結(jié)合面上產(chǎn)生聯(lián)生晶粒，出現(xiàn)再結(jié)晶、擴散、相變或金屬間結(jié)合等。局部溫度可達金屬熔點的35~50%。6第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日超聲波焊接原理示意圖7第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日8第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

（二）超聲波焊接機理

1、接觸塑性流動層內(nèi)機械嵌合在大多數(shù)超聲波焊中出現(xiàn)，對連接強度起重要作用，在金屬與非金屬焊接時起主導(dǎo)作用。

2、金屬原子間的鍵合接頭中常見的是顯微組織在界面消失，而連接部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小與原始晶粒度無明顯差別，可認為是金屬鍵的結(jié)合。

3、焊接過程中的金屬間物理冶金反應(yīng)接頭中存在由于摩擦生熱而引起的冶金反應(yīng)，如再結(jié)晶、擴散、相變及金屬化合物的形成等。是有爭議的問題：有人認為，焊接時間短（小于2s）再結(jié)晶、擴散、相變難以實現(xiàn)。

4、也有人提出界面有微區(qū)熔化現(xiàn)象。9第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日二、超聲波焊的分類

（一）根據(jù)超聲波彈性振動能量轉(zhuǎn)入焊件的方向不同分

1、振動能量由切向轉(zhuǎn)入焊件表面使界面產(chǎn)生相對摩擦，圖

a）。

適用于金屬材料的焊接；

2、振動能量垂直于焊件表面方向轉(zhuǎn)入焊件，圖b）適于塑料的焊接。10第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

（二）根據(jù)接頭形式分

1、點焊

按能量傳遞方式可分單側(cè)和雙側(cè)兩類。當(dāng)振動能量值通過上聲極導(dǎo)入時為單側(cè)式點焊；分別由上下聲極導(dǎo)入為雙側(cè)式點焊。前者最常用。11第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日2、縫焊縫焊時超聲波通過旋轉(zhuǎn)運動的圓盤狀聲極傳輸給工件，形成具有密封性的連續(xù)焊縫。

縫焊可以獲得密封的連續(xù)焊縫。通常工件被夾持在上、下焊盤之間。在特殊情況下可采用平板式下聲極。12第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日3、環(huán)焊用環(huán)焊方法可以一次形成封閉形焊縫，采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。焊接時焊盤扭轉(zhuǎn)，振動振幅相對于聲極軸線呈對稱線性分布，軸心區(qū)振幅為零，焊盤邊緣振幅最大。顯然環(huán)焊最適用于微電子器件的封裝工藝。有時環(huán)焊也用于對氣密要求特別高的直線焊縫場合，此時可采用部分重疊環(huán)焊方法，類似縫焊獲得連續(xù)直線焊縫。13第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日4、線焊線焊可以看成是點焊方法的延伸。利用線狀上聲極或?qū)⒍鄠€焊點疊合在一起，在一個焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫?，F(xiàn)已經(jīng)可以通過線狀上聲極上次獲得150mm長的線狀焊縫。這種方法最適用于金屬箔片的線狀封口。14第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日§2超聲波焊特點及應(yīng)用

一、超聲波焊接的特點

1、超聲波焊的優(yōu)點

1）可適用于多種組合材料的焊接。

2）由于是固相焊接方法，不受冶金焊接性的約束，不會對半導(dǎo)體等材料引起高溫污染及損傷。微電子器件中，半導(dǎo)體硅片與金屬細絲（Au、Ag、Al、Pt、Ta）的精密焊接是超聲波焊接方法最重要和最成功的一個應(yīng)用領(lǐng)域。

3）適于焊接高熱導(dǎo)率及高電導(dǎo)率的材料。例如金、銀、銅、鋁等材料在電阻點焊中是比較難焊的，使用超聲波焊接，這些金屬成為最容易焊接的幾種材料。15第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

4）與電阻點焊相比，耗用功率僅為電阻點焊的

5%

左右。變形小于3~5%。焊點強度及強度穩(wěn)定性平均提高約15～20％。

5）對工件表面的清潔度要求不高，允許少量的氧化膜及油污等存在。甚至可以焊接帶漆及聚合物薄膜的金屬。根據(jù)這一特點，近年來發(fā)展了先膠后點焊的超聲波膠點焊方法。

2、超聲波焊的缺點金屬超聲波焊的一個主要缺點是焊接需用功率隨工件厚度及硬度的提高呈指數(shù)劇增，因而只限用于絲、箔、片等薄件。此外，雖然近年來已發(fā)明了超聲波對焊方法，但絕大多數(shù)情況下超聲波焊只適用于搭接接頭。16第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日二、超聲波焊的應(yīng)用

1、電子工業(yè)廣泛應(yīng)用于微電子器件、集成電路元件、晶體管芯的焊接。

1）在1mm2硅片上，有數(shù)百條25~50μm的Al或Au絲通過超聲波焊將焊點部位相互連接。

2）鋰電池中金屬鋰片與不銹鋼底座之間的連接，以前是嵌合，質(zhì)量不可靠、電阻大，超聲波焊質(zhì)量可靠、生產(chǎn)率提高。

2、電器制造超聲波膠點焊在中國制造的50萬千伏超高電壓變壓器屏蔽構(gòu)件中獲得成功應(yīng)用。17第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

3、新材料制備可在玻璃、陶瓷或硅片的熱噴涂表面上連接金屬箔及絲；也可實現(xiàn)超導(dǎo)材料之間及超導(dǎo)材料與導(dǎo)電材料之間的連接；鋁塑復(fù)合管的焊接；物理性能相差懸殊材料制成的雙金屬接頭等。如太陽能熱水器銅集板與銅管之間的焊接。

4、航空、航天及核能工業(yè)宇宙飛船中的核電轉(zhuǎn)換裝置中，鋁與不銹鋼組件、導(dǎo)彈的接地線、衛(wèi)星上的鈹窗等。

5、封裝工業(yè)的包裝材料從軟箔小包裝到密封管殼等均可采用超聲波環(huán)焊、縫焊和線焊焊接密性封裝結(jié)構(gòu)。18第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

根據(jù)焊件的接頭形式，超聲波焊機可分為點焊機、縫焊機、環(huán)焊機和線焊機等。主要由超聲波發(fā)生器、電-聲換能耦合器（聲學(xué)系統(tǒng)）、加壓機構(gòu)、焊接時間及加壓程序定是控制裝置等組成?！?超聲波焊設(shè)備及工藝一、超聲波焊設(shè)備A-發(fā)生器B-聲學(xué)系統(tǒng)C-加壓機構(gòu)D-控制裝置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-下聲級8-電磁加壓裝置9-控制加壓電源10-程控器19第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日1、超聲波發(fā)生器

是焊機的核心設(shè)備。它是一種具有超聲頻率的正弦電壓波的電源，實質(zhì)是一個包括機械振動系統(tǒng)在內(nèi)的單級或多級放大的自激振蕩器。作用是將工頻（50Hz）電流變成15

~

60Hz的震蕩電流，并通過輸出變壓器與換能器相耦合。2、聲學(xué)系統(tǒng)

超聲波的關(guān)鍵部件，是電聲耦合裝置（聲學(xué)系統(tǒng)），由換能器、聚能器（變幅桿）、耦合桿（傳振桿和上下聲極）等組成。主要作用是傳輸彈性振動能給焊件，以實現(xiàn)焊接。聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)在于按照選定的頻率計算每個聲學(xué)組元的自振頻率。20第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

（1）換能器將發(fā)生器的電震蕩能轉(zhuǎn)換成相同頻率的機械振動能，是焊機的機械振動源。有磁致伸縮式和壓電式兩種。磁致伸縮效應(yīng)是當(dāng)鐵磁材料置于交變磁場中，將會在材料的長度方向發(fā)生宏觀的同步伸縮變形現(xiàn)象，常用鎳片和鐵鋁合金，工作可靠，但換能效率僅為20~30%，已被壓電式換能器所替代。壓電式是利用某些非金屬壓電晶體（如石英、鋯酸鉛、鋯鈦酸等）的逆壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電材料在一定晶面上受到壓力或拉力時，會出現(xiàn)電荷，稱為正壓電效應(yīng)；反正，當(dāng)在壓電軸方向饋入交變電場時，晶體會沿一定方向發(fā)生同步收縮現(xiàn)象，稱逆壓電效應(yīng)。效率高達80~90%，但壽命短。21第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

（2）聚能器（變幅桿）作用是將換能器所轉(zhuǎn)換的成的高頻彈性振動能量傳遞給焊件，還有使輸出振幅放大和集中能量的作用。焊接時振幅一般在5~40μm，而一般換能器小于此數(shù)值，所以必須放大。

（3）耦合桿用于改變振動形式，一般是將聚能器輸出的縱向振動改變成為彎曲振動，通常為圓柱形，氣自振頻率應(yīng)根據(jù)耦合條件設(shè)計。

（4）聲極分上、下聲極，是超聲波焊機直接與焊件接觸的聲學(xué)部件，并與聚能器或耦合桿連接。上聲極可做成球面，下聲極用以支撐工件和所加壓力的反作用力。22第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日

作用是向焊接部位施加靜壓力。目前主要有液壓、氣壓、電磁加壓和自重加壓等。加壓機構(gòu)還包括焊件的夾持機構(gòu)。3、加壓機構(gòu)4、程序控制器

利用計算機進行聲學(xué)反饋及自動程序控制，如超聲波點焊的預(yù)加壓時間、焊接時間、消除粘連時間、休止時間等。23第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日二、接頭設(shè)計及準(zhǔn)備1、接頭設(shè)計

由于焊接過程母材不發(fā)生熔化，焊點不受過大壓力，因此可自由設(shè)計點距、邊距和行距等參數(shù)。2、焊件表面準(zhǔn)備

不需嚴(yán)格清理，因為振動對表面層有破碎清理作用。氧化嚴(yán)重和有銹層，仍需清理。sre3、上聲極選用

盡可能選用摩擦系數(shù)大以及具有足夠耐磨性的材料。目前焊鋁、銅等用高速鋼、軸承鋼；焊鈦、鋯、高強鋼等常采用沉淀強化型鎳基超級合金。24第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日1、焊接功率2、振動頻率3、振幅4、靜壓力5、焊接時間三、焊接參數(shù)25第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日§4典型材料的超聲波焊一、同種材料的超聲波焊

焊接金屬材料時，最常用的方法是點焊。易于實現(xiàn)同種金屬材料的可靠連接。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。（一）同種金屬材料的焊接

可實現(xiàn)鋁及鋁合金焊接、銅及銅合金的焊接、鈦及鈦合金的焊接、高熔點材料的焊接。（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到焊接的目的。26第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期日塑料焊接面預(yù)加工設(shè)計

塑料超聲波焊的原理是焊接面在超聲波能量作用下進行高頻機械振動而加熱融化，同時施