第十一章 超聲波焊

第11章超聲波焊主要內(nèi)容11.1概述11.2超聲波焊的工作原理與分類11.3超聲波焊的工藝11.4常用材料的超聲波焊

11.1概述超聲波焊是利用超聲頻率(超過16kHz)的機(jī)械振動(dòng)能量和靜壓力，在其共同作用下，連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等的特殊焊接方法。金屬超聲波焊接時(shí)，既不向工件輸送電流，也不向工件輸入高熱量，只是在靜壓力下將彈性振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能及隨后有限的溫升。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。11.1.1超聲波焊的特點(diǎn)超聲波焊的優(yōu)點(diǎn)包括：1）工件不通電，不外加熱源，被焊金屬不熔化，不形成鑄態(tài)組織或脆性金屬間化合物。2）焊接區(qū)金屬物理和力學(xué)性能不發(fā)生宏觀變化，接頭的靜載荷強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度較高。3）可焊材料范圍廣，可用于金屬與金屬、高導(dǎo)電、導(dǎo)熱型材料、難熔性金屬、性能相差懸殊的異種金屬的焊接。4）可焊大厚度比及多層箔片的特殊結(jié)構(gòu)件。5）對(duì)工件表面焊前的準(zhǔn)備要求不嚴(yán)格，焊后無需進(jìn)行熱處理。6）焊接所需電能少，工件變形小。11.1.2超聲波焊的應(yīng)用超聲波焊在航空航天、電子電器、包裝材料、塑料領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。1）航空航天超聲波焊可焊接其他焊接方法難以焊接的材料，在飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈及機(jī)載設(shè)備等多種構(gòu)件的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。例如：飛機(jī)和導(dǎo)彈接地線的焊接；鋁、銅、銀與其他金屬導(dǎo)體的焊接；點(diǎn)火裝置的細(xì)絲焊接；電動(dòng)機(jī)電樞繞組和銅整流子的焊接；飛機(jī)艙門內(nèi)外鋁蒙皮的焊接；噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高溫導(dǎo)管的焊接；儀表、傳感器及墨盒的焊接等。此外，在宇宙飛船的核電轉(zhuǎn)換裝置中，用超聲波焊接鋁與不銹鋼的組件、衛(wèi)星上的視窗以及衛(wèi)星用太陽能電池等均使用了超聲波焊接技術(shù)。2）電子工業(yè)超聲波焊廣泛應(yīng)用于微電子器件的連接。例如晶體管管芯、晶體管的控制極及電子器件的封裝等。其中最重要、最成功的應(yīng)用是集成電路元件的連接。例如，在1mm2的硅片上，將數(shù)百條直徑為25～50μm的Al或Au絲通過超聲波焊將接點(diǎn)連接起來。目前，在集成電路生產(chǎn)線上應(yīng)用的超聲波電焊機(jī)的功率一般為0.02～2W；頻率為60～80kHz；壓力0.2～2N；焊接時(shí)間為10～100ms。在太陽能硅光電池的制造中，超聲波焊將取代精密電阻焊，涂膜硅片的厚度為0.15～0.2mm，鋁導(dǎo)線的厚度為0.2mm。此外，可以將上述光電元件直接與熱收集裝置中的銅或鋁管道焊接起來。3）電器工業(yè)電動(dòng)機(jī)制造，尤其是微電動(dòng)機(jī)制造中，超聲波焊方法正在逐步替代原來的釬焊及電阻焊。微電動(dòng)機(jī)制造中幾乎所有的連接工序都可用超聲波焊來完成，包括電樞銅導(dǎo)線的連接，整流子與漆包線的連接，鋁制勵(lì)磁線圈與銅導(dǎo)線的焊接以及編織導(dǎo)線與電刷電極之間的焊接等。超聲波膠點(diǎn)焊已在我國50萬V超高壓變壓器的制造中得到了成功的應(yīng)用，取代了國際上通用的釬焊及鉚接工藝。此外，熱電偶的焊接、導(dǎo)線的焊接也大量采用超聲波焊。4）新材料工業(yè)超聲波焊可在玻璃、陶瓷或硅片的熱噴涂表面上連接金屬箔或絲。這種應(yīng)用已不限于微電子器件的生產(chǎn)中。利用超聲波的焊接方法，可焊接兩種物理性能相差懸殊的材料并制成許多雙金屬接頭。5）塑料超聲塑料焊將超聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使塑料局部熔化粘結(jié)在一起。超聲波焊在塑料工業(yè)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。例如，聚乙烯醫(yī)療器具的超聲波焊；低密聚乙烯離心葉輪的低溫超聲波焊及聚苯硫醚材料的超聲波焊等。新一代的超聲塑料焊接機(jī)應(yīng)用微機(jī)進(jìn)行控制，使焊接質(zhì)量和機(jī)器性能大大提高。11.2超聲波焊的工作原理與分類11.2.1超聲波焊的工作原理上聲極傳輸?shù)膹椥哉駝?dòng)能量經(jīng)過一系列的能量轉(zhuǎn)換及傳遞環(huán)節(jié)獲得。超聲波發(fā)生器是一個(gè)變頻裝置，它將工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡l率(15～60kHz)的振蕩電流。換能器則利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械能。傳振桿、聚能器用來放大振幅，并通過耦合桿、上聲極傳遞到工件。聲學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)組元的自振動(dòng)頻率，將按同一頻率設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生器的振蕩電流頻率與聲學(xué)系統(tǒng)的自振動(dòng)頻率一致時(shí)，系統(tǒng)則產(chǎn)生了諧振(共振)，并向工件輸出彈性振動(dòng)能。超聲波焊的形成主要由振動(dòng)剪切力、靜壓力和焊區(qū)的溫升所決定。在超聲波焊接過程中，上聲極將超聲波振動(dòng)能量傳遞到工件之間的貼合面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對(duì)摩擦。摩擦面逐漸擴(kuò)大的同時(shí)，破壞、排擠和分散了表面的氧化膜及其他附著物。在超聲波振動(dòng)往復(fù)摩擦的過程中，接觸表面溫度快速上升，材料的變形抗力下降。在靜壓力和超聲機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的交變切應(yīng)力的共同作用下，工件間接觸表面的塑性流動(dòng)不斷進(jìn)行，使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散，甚至深入到工件材料的內(nèi)部，促使純凈金屬表面的原子接近到能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，促進(jìn)了高溫變形的焊接區(qū)再結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生。由于微觀接觸部分嚴(yán)重的塑性變形，此時(shí)焊接區(qū)能發(fā)現(xiàn)渦流狀的塑性流動(dòng)層，如圖11-3所示，出現(xiàn)工件表面之間的機(jī)械咬合。工件初期咬合較少，咬合面積小結(jié)合強(qiáng)度不高，很快被超聲波機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的切應(yīng)力破壞。但隨著摩擦過程的進(jìn)行，咬合的點(diǎn)數(shù)不斷增加，咬合的面積不斷擴(kuò)大。當(dāng)焊接面的結(jié)合力超過上聲極與上工件表面之間的結(jié)合力時(shí)，則上聲極與上工件將在振動(dòng)造成的切力作用下分離，工件之間不再被振動(dòng)產(chǎn)生的切應(yīng)力切斷，從而形成牢固的焊接接頭。金屬超聲波焊是一種固相焊，焊接過程不發(fā)生金屬的熔化現(xiàn)象。但是，用高倍透射電子顯微鏡分析鋁、銅超聲波焊接接頭的組織時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接界面上存在局部熔化現(xiàn)象，所以不能排除局部熔化作為超聲波焊接可能的連接機(jī)理。11.2.2超聲波焊的分類1）振動(dòng)能量由切向傳遞到工件表面，從而使焊接界面之間產(chǎn)生相對(duì)摩擦。這種方法適用于金屬材料的焊接，如圖11-4(a)所示。2）振動(dòng)能量從垂直與焊接表面的方向傳到焊接區(qū)。這種方法主要用于塑料的焊接，如圖11-4(b)所示。超聲波焊的接頭一般都是搭接接頭，按接頭形式的不同，超聲波焊可分為點(diǎn)焊、縫焊、環(huán)焊和線焊等幾種形式。超聲波點(diǎn)焊環(huán)焊采用環(huán)焊方法可以一次形成封閉形焊縫，采用的是扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，如圖11-6所示。焊接時(shí)，耦合桿帶動(dòng)上聲極做扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，上聲極軸心區(qū)振幅為零，邊緣振幅最大，適用于微電子期間的封裝。由于環(huán)焊的一次焊縫的面積較大，需要較大的功率，所以常采用多個(gè)換能器的反向同步驅(qū)動(dòng)方式。縫焊超聲波通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓盤狀聲極傳輸給工件，從而獲得一條密封的連續(xù)焊縫。線焊線焊可以看成是點(diǎn)焊的延伸，是利用線狀聲極或多個(gè)點(diǎn)狀聲極疊合在一起，在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫，如圖11-7所示。該方法適用于金屬箔的線狀封口。11.3超聲波焊的工藝11.3.1接頭設(shè)計(jì)11.3.2焊接參數(shù)

焊接功率P焊接所需要的功率P取決于工件的厚度δ（mm）和材料硬度H（HV），并可按下式計(jì)算式中，k為系數(shù)。工件厚度δ、材料的硬度H與功率P之間的關(guān)系曲線如圖11-10所示。超聲波振動(dòng)頻率f諧振頻率一般在15～75kHz之間。頻率的選擇應(yīng)考慮工件的物理性能及其厚度。在焊接薄件時(shí)通常選用比較高的諧振頻率。因?yàn)樵诰S持聲功率不變的情況下，提高振動(dòng)頻率可以相應(yīng)降低振幅，故可避免薄件因?yàn)榻蛔儜?yīng)力而引起的焊點(diǎn)的疲勞破壞。通常情況下，頻率較高，功率較小。一般小功率的超聲波焊機(jī)多選用25~80Hz的謝振頻率。在焊接硬度及屈服強(qiáng)度均比較低的材料時(shí)，宜選用較低的振動(dòng)頻率。振幅A振幅決定著摩擦功的大小、焊接區(qū)表面氧化膜的清除程度、結(jié)合面摩擦生熱的多少、塑性變形區(qū)的大小以及材料的塑性流動(dòng)狀況等。因此根據(jù)材料性質(zhì)及其厚度正確選擇振幅是獲得良好接頭的重要保證。靜壓力Fw靜壓力是用來直接向工件傳遞超聲振動(dòng)能量。靜壓力的選擇取決于材料的厚度、硬度、接頭形式以及超聲波功率等。靜壓力過低時(shí)，大部分振動(dòng)能量損耗在上聲極與工件之間的表面摩擦上，導(dǎo)致超聲波幾乎無法有效傳遞到工件。隨著靜壓力的增加，改善了超聲波振動(dòng)的傳遞條件，使焊接區(qū)溫度升高，材料的變形抗力下降，塑性流動(dòng)的程度逐漸加劇，塑性變形的面積增加，焊點(diǎn)尺寸增加，從而使抗剪力上升。焊接時(shí)間tw焊接時(shí)間是指超聲波能量輸入焊件的時(shí)間。每個(gè)焊點(diǎn)的形成都有一個(gè)最小焊接時(shí)間，如果小于該時(shí)間，則接頭的抗剪切力太低。隨著焊接時(shí)間的增加，焊點(diǎn)的抗剪力迅速提高，并在一定時(shí)間內(nèi)抗剪力大小基本保持不變。但當(dāng)超過一定時(shí)間后，焊點(diǎn)的抗剪力又迅速下降。這一方面由于超聲波振動(dòng)作用時(shí)間過長，容易引起焊點(diǎn)表面和內(nèi)部的疲勞裂紋；另一方面因?yàn)楣ぜ軣嶙饔脮r(shí)間延長，焊接區(qū)塑性變形抗力明顯下降，上聲極陷入工件，使焊點(diǎn)截面削弱.聲極端部的球面半徑r和表面形狀該參數(shù)直接影響到焊縫區(qū)的大小，而且與靜壓力Fw、焊接時(shí)間tw、滾盤的速度v及焊劑的功率P的選擇有直接關(guān)系。搭接平板焊時(shí)，有效聲極半徑應(yīng)為板材厚度的50～100倍。將絲材焊到板材上時(shí)，則需帶槽的聲