超声波焊接

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第251页（3437字）

4．4．7．1 原理

超声波焊接是一种不使用钎剂和填充金属的固态焊接方法．即两个被焊工件在紧密接触下，通过超声波的高频振动能量使相邻材料产生摩擦，连接到一起．

这种焊接技术是将待焊工件界面上的原子通过原子间吸引力结合在一起．由于原子结合发生在材料的半固态和固态，摩擦生热而产生的温度一般低于材料熔点，因此从这个意义上讲，超声波焊接也是“冷”连接技术．

由于在超声波焊接时，时间短及薄表面层冷却快，因此获得的接头焊接区是细晶粒组成的连续层．

4．4．7．2 特点

超声波焊接有下述特点．

(1)适用材料较广，可焊接金属，也可焊接非金属，还可以在陶瓷等非金属表面上挂锡、挂银．尤其特别适于用其他焊接技术很难焊接或不能焊接的材料．

(2)焊接热影响区极校没有电流穿过焊接区，无电弧或火花污染，焊接时压力也校可对直径很小的细丝及厚度很小(0．015～0．03mm)的薄箔进行焊接．

(3)因为焊接时，无需其他气体、焊条、焊剂和钎焊料等，故无需通风排尘设备．

(4)无须焊前清理及焊后处理(如退火等)．

(5)焊接过程易于实现自动化．

(6)目前超声波焊接对材料厚度有一定要求．

4．4．7．3 工艺方法

(1)基本工艺过程 两个工件被夹持在一起，受到硬砧和焊接端头之间较低的压力，超声波能量引入工件顶部，在超声作用下两个工件表面因摩擦表面氧化膜破碎并被超声波清洗表面，露出干净金属表面，这种作用是连续的，使得没有时间形成阻碍原子接近的新氧化膜，当两表面处于一个原子间距时，就会产生冶金结合．

(2)基本工艺参数 焊接过程中的基本工艺参数是：夹持力、功率、点焊时间或连续缝焊的焊接速度．对于给定材料，这3个参数不能单独确定．对于规定的用途，这种特殊组合主要取决于工件材料的性能及厚度．

点焊时间通常为0．01～1．2s；连续缝焊时的焊接速度，对于薄箔材料可高达每秒数米；夹持力为几克至几千克；功率输入则为几毫瓦至几千瓦．一般的经验是：高功率、短焊接时间优于低功率、长时间；存在一个最佳夹持力，保持这个力就可用最小的振动能量得到最佳焊接效果．

(3)接头设计 现有板材厚度内的搭接形式都可以采用超声波焊接．专门用途的焊接类型(点焊、环焊、直线焊或连续缝焊)取决于接头设计．接头设计有些方面与其他焊接工艺不同．

对于超声波焊接，板边距要求并不严格，焊接直线焊缝和环焊缝时，其搭接部分应为板材厚度的4～6倍，唯一的限制是焊接声极头(指与工件接触的振动功率传输元件，它相当于前文所述变幅杆，包括端头在内，它不同于电阻焊所用的电极)不得使板边压坏或裂口．例如：厚度0．8～1．3mm铝合金上的焊缝，板边距3．2mm的与19mm的强度相同．

超声波焊接对点焊缝而言，点距及行距没有限制；对环焊缝则可得到满意结果．

4．4．7．4 设备

各种超声波焊机示意图见图4-25．组成超声波焊接设备的基本部件是：①变频器(保证焊接系统设计频率的高频电功率)；②换能耦合系统(将高频电功率转换为弹性振动能)；③焊砧(用来支持工件)；④加力机构；⑤点焊、环焊和直线焊接时的定时装置或连续缝焊时的转动和移动机构以及适宜的电气、电子和液压或气动控制件．

现在设备的工作频率为20kHz(200～1500W)和10kHz(700～8400W)．超声波焊机基本上有4种类型．

(1)点焊机 所有这些焊机的工作原理都是相同的，它们将振动传给声极头，随后进入焊缝界面，以高频振动的单脉冲进行点焊．换能耦合系统有两种：一种是楔-舌簧系统，另一种是侧向传动系统．力的调节机构可以是气压，也可以是液压或机械的．

①楔-舌簧系统．见图4-24(a)．换能器驱动楔块作纵向振动．舌簧上端牢固地固定在一个金属块中，楔块与舌簧片连接并在其中产生弯曲振动．因此焊头在平行于焊件的平面上实际经受横向振动．通过金属块和舌簧片施加压紧力，楔-舌簧系统适合于大型点焊机．

②侧向传动系统．见图4-24(b)．焊头与侧面声极相连接，声极纵向振动产生平行于焊缝界面的焊头移动，由箭头所示弯曲力矩施加压紧力．

点焊焊缝可以重叠，以制成实际上是连续连接的区域．这种焊缝所含焊点每25．4mm内少则5个，多则10个．

(2)环焊机 见图4-24(e)环焊机使用扭转传动耦合装置，其轴向传动耦合件垂直于扭转耦合件，使焊头在平行于焊缝界面的平面上产生扭转振动位移，这种焊机的功率为500～4500W，可用于焊接直径3．2～76mm的环形焊缝，也可焊接椭圆、正方形或矩形焊缝．

(3)直线焊机 见图4-24(d)．这种焊机通常具有一个悬臂的侧向传动转换耦合系统，耦合件延伸到焊头之外，通过耦合件的悬臂部分加力．这种设计削除了高压力时耦合件的高弯曲力矩．

(4)连续缝焊机 见图4-24(f)．这种焊机通常具有抗摩擦轴承和侧向传动转换耦合系统，并且备有借助电动机传动的可转动的完整转换耦合焊头组合件．转动焊头工作时，沿规定的路径与工件滚动接触，既可使用滚轮-滚轮系统、横移焊头系统，又可使用横移底架系统．在铝一类材料的大面积焊接中连续焊缝可以重叠．

图4-25 各种超声波焊机

(a)楔-舌簧点焊机；(b)侧向传动点焊机；(c)悬耦点焊机；(d)直线焊机；(e)环焊机；(f)连续缝焊机

4．4．7．5 应用

(1)可应用于汽车、核反应堆、飞机、导弹和火箭上的结构．

(2)可应用于电器上．例如，使导线固定于变压器线圈上，使接触点固定于薄板、厚板或带材上，以及使铝丝固定于铜接线上．

(3)可应用于电子工业上．特别适合于其他方法难以焊接的微型元件．这些应用包括：使导线固定于半导体材料上，装配电桥丝或配电元件，连接电子管元件，在高温印刷线路板上焊接导线，封装要求特殊气氛或无污染的电子元件，焊接集成电路的焊接引线．

(4)可应用于包装上．特别适合于各种尺寸和形状的金属箔包装件的密封，即铝制罐头和挤压管的密封，以及食物、药品的包装．