特種焊接技術(shù)超聲波焊..ppt

1、第六單元 超聲波焊,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(shí)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(qiáng)烈的摩擦作用，以清除表面氧化物并加熱焊件而實(shí)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(diǎn)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

2、-焊件 7-下聲極 A-振幅分布 I-超聲波振蕩電流 F-靜壓力 V1-縱向振動(dòng)方向 V2-彎曲振動(dòng)方向,1560kHz,利用逆壓電效應(yīng)將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動(dòng)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(dòng)摩擦階段 超聲波焊初期，由于上聲極的超聲振動(dòng)，使其與上焊件之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時(shí)的連接，然后通過它們直接將超聲振動(dòng)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(gè)別凸點(diǎn)之間的摩擦逐漸擴(kuò)大到面摩擦，同時(shí)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(diǎn)的3550%時(shí)

3、，變形抗力下降; 在靜壓力和彈性機(jī)械振動(dòng)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(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(kuò)散及相互結(jié)合，形成共同的晶?；虺霈F(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(jìn)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(dòng)層，導(dǎo)致焊件表面之間的機(jī)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(kuò)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(diǎn)區(qū)的渦流狀塑性流動(dòng)層,6.1.2 超

4、聲波焊的種類,根據(jù)超聲波彈性振動(dòng)能量傳入焊件的方向，可分成兩類： 一類是振動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)方向 F-靜壓力 1-聚能器 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極,1. 點(diǎn)焊,焊接時(shí)焊件在圓柱狀的上下聲極壓緊下實(shí)施焊接的，每次完成一個(gè)焊點(diǎn)。 按能量傳遞方式分，點(diǎn)焊可分為單側(cè)式和雙側(cè)式 。 按振動(dòng)系統(tǒng)分，點(diǎn)焊可采用縱向振

5、動(dòng)系統(tǒng)、彎曲振動(dòng)系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲振動(dòng)系統(tǒng)。,超聲波點(diǎn)焊示意圖 1-靜壓力 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極 V-振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)，從而形成一條連續(xù)焊縫 。 根據(jù)圓盤狀聲極的振動(dòng)狀態(tài)，超聲波縫焊可分為縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種形式。,4線

6、焊,線焊是利用線狀上聲極或?qū)⒍鄠€(gè)點(diǎn)焊聲極疊合在一起，在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫，也可以看成是點(diǎn)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(dòng)方向 F-靜壓力,6.1.3 超聲波的特點(diǎn)及應(yīng)用,一、超聲波焊的特點(diǎn) 二、超聲波焊的應(yīng)用范圍,一、超聲波焊的特點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn),可以焊接厚薄相差懸殊焊件,7.目前僅限于焊接絲、箔、

7、片等細(xì)薄件，且只限于搭接接頭形式。 8.焊點(diǎn)表面容易因高頻機(jī)械振動(dòng)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(jìn)行在線準(zhǔn)確檢驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中還難以實(shí)現(xiàn)大批量機(jī)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(jì) 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(jì),1邊距e 2點(diǎn)距s 3行距r,二、焊件表面準(zhǔn)備,超聲波焊時(shí)，對焊件

8、表面不需進(jìn)行嚴(yán)格清理，因?yàn)槌曊駝?dòng)本身對焊件表面層有破碎清理作用。 焊件表面被嚴(yán)重氧化或已有銹蝕層，焊前仍需清理，通常采用機(jī)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(huì)影響到焊點(diǎn)的強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(shí)，宜選用較高的諧振頻率，因?yàn)樵诰S持機(jī)械

9、能不變的前提下，提高振動(dòng)頻率就可以相應(yīng)降低振幅，從而減輕薄件因交變應(yīng)力而可能引起的疲勞破壞。 焊接厚件時(shí)或焊接硬度及屈服強(qiáng)度都比較低的材料時(shí)，宜選用較低的振動(dòng)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(dòng)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(shí)間,焊接時(shí)間是指超聲波能量輸入焊件的時(shí)間。 焊接時(shí)間的選擇隨材料性質(zhì)、厚度及

10、其他焊接參數(shù)而定，高功率和短時(shí)間的焊接效果通常優(yōu)于低功率和較長時(shí)間的焊接效果。 上述幾個(gè)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(diǎn)焊機(jī)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(jī)構(gòu),向焊接

11、部位施加靜壓力的加壓機(jī)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(jī)多采用液壓方式，沖擊力小；小功率超聲波焊機(jī)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(diǎn)焊機(jī)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(jì)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

12、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(shí)，最常用的方法是點(diǎn)焊。 超聲波焊接易于實(shí)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(shí)，超聲振動(dòng)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(diǎn)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(qiáng)度的鋁合金，超聲波點(diǎn)焊和電阻點(diǎn)焊或縫焊的接頭強(qiáng)度大致

13、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(jìn)行脫脂處理。,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(jìn)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(diǎn)經(jīng)顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，有時(shí)產(chǎn)生的相變，也有未經(jīng)相變的焊點(diǎn)組織，但均能獲得滿意的接頭強(qiáng)度。,4高熔點(diǎn)材料的焊接,對于金屬鉬、鎢等高熔點(diǎn)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(qiáng)度的焊點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

14、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(shí)，通常盡量將焊件的結(jié)合面置于諧振曲線的波節(jié)點(diǎn)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(jī)一般由超聲波發(fā)生器、焊壓臺(tái)和焊具三大部分組成。,優(yōu)點(diǎn),1焊接效率高，焊接時(shí)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(huì)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(diǎn)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(shí)，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(shí)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(jì)帶有尖邊的超聲波導(dǎo)能筋 。,焊接模塑件時(shí)，超聲波導(dǎo)能筋的形式及其設(shè)計(jì)原則取決于被焊塑料的種類和模塑件的幾何形狀。,塑料超聲波焊的焊縫質(zhì)量主要與母材的焊接性、被焊焊件和焊縫的幾何形狀和公差范圍、超聲波振頭、焊接參數(shù)以及振頭壓入深度的調(diào)整和穩(wěn)定控制等因素有關(guān)。,6.