超声波焊接技术
哈尔滨工业大学
金属工艺学课程论文
题目：超声波金属焊接技术的综合介绍
院系：能源科学与工程学院
专业：能源与动力工程
班级： 1502403
学号： 1150240325
姓名：石嘉成
超声波金属焊接技术的综合介绍
石嘉成1
(1.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
摘要：本文主要介绍特种焊接中的超声波金属焊接技术，将从超声波焊金属接技术的应用背景、工艺过程、特点及实际应用情况及最新发展等发面展开介绍。通过文献的查阅得到了以下的结论：超声波焊接的应用越来越广泛，它具有能耗低、压力小、速度快、稳定性高、程序简便、精度高等优点，虽然对仪器的要求较高导致成本较高，但是仍不失为一种很有前景的焊接技术。
关键词：超声波焊接；金属；工艺过程；文献查阅
1.超声波金属焊接技术应用背景
超声波金属焊接起源于1950年的美国1。超声波金属焊接在电子工业、电器制造、新材料的制备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术方面都有很广泛的应用，加上其节能、环保、操作方便等突出优点，对于我国建设资源节约型、环境友好型的现代化社会，超声波金属焊接将发挥很大的促进作用2。
2.超声波焊接技术的原理及工艺过程
2.1超声波金属焊接技术的原理
超声波金属焊接主要过程是被夹持在一起的两块工件受到硬砧和焊接端头之间的静压力，将超声波能量传输给工件顶部，维持短暂的时间，待结合表面之间的摩擦破碎氧化膜和其它沾污，每个表面上暴露出清洁新生的金属，从而使两个表面相互结合。一旦两表面处于一个原于间距内，就会产生金属型结合，由于超声波清理作用是连续的，就没有时间来形成阻碍原于接近的新氧化膜。完成最终的冶金结合时，无电弧和飞溅，无焊缝金属的熔化，铸造组织无熔化，厚度变形也很小3。
2.2超声波金属焊接技术的工艺过程
如图1所示，超声波焊接过程分为4个阶段：
第1阶段：焊头与零件接触，施压并开始振动。摩擦发热量熔化导能筋，熔液流入结合面。随着两零件之间距离的减少，焊接位移量（两零件之间由于熔体流动产生的距离减小值）开始增加。起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的导能筋铺展并接触下零件表面时放慢增速。在固态摩擦阶段，发热是由于两表面之间的摩擦能和零件中的内摩擦产生的。摩擦发热使聚合物材料升温至其熔点。发热量取决于作用频率、振幅和压力4。
第2阶段：熔化速度增加导致焊接位移量增大及两零件表面相接触。此阶段形成薄的熔化层，由于持续发热，熔化层厚度增加。此阶段的热量是由黏性耗散产生。
第3阶段：焊缝中溶液层厚度保持不变且伴随着恒温分布，出现稳态熔化。
第4阶段：在经过设定的时间或达到特定的能量、功率级或距离之后，电源切断，超声振动停止，开始进入第 4阶段。压力得以保持，使部分额外熔液挤出结合面。在焊缝冷却和凝固时达到最大位移量，并发生分子间扩散5。
3.超声波金属焊接技术的特点
3.1优点
超声波金属焊接是一项全新的技术，对其研究和应用还处于发展阶段，但毋庸置疑的是，它在很多方面都优越于传统的焊接技术，具体表现为以下几个方面。
3.1.1
压力小、能耗低超声波金属焊接不同于传统焊接的最大优点是其压力小且能耗低，这
在很大程度上节约了能量成本，并且其还能将不同种类的金属材料焊接在一起，突破了原本受技术限制而不能实现异种金属焊接的瓶颈。另外，在金属零件快速成形的过程中，其可以埋入一些功能器件来实现智能金属基复合材料，这是传统焊接技术所不能达到的6。
3.1.2
速度快、稳定性高超声波金属焊接可以通过使用点焊和连续焊，来保证焊接速度的提升，它不但能将不同物理性能的材料焊接完好，还能应用于其他技术不能达到的厚薄相差悬殊以及多层金属片之间的焊接。由于其焊点强度非常高，导致其具有很好的稳定性。3.1.3 程序简便、精度高
超声波金属焊接技术在焊接过程中只需简洁的程序就能保障焊接成品的质量，其程序的简便之处体现在以下几点：首先，无需采用水冷和气体的保护，省去了对焊接成品的退热处理过程；其次，不用焊条，焊接的金属不被直接加热，减少能源损耗，避免加热的麻烦；最后，不需要添加焊剂，省去后期对成品的清洁处理以及环保处理超声波金属焊接还使用了一种功率电子线路，能够通过电气控制达到高密度的焊接7。
3.2 缺点
超声波金属焊接在其发展过程中也产生了一些弊端，值得重视并去研究改善。这些缺点表现为以下几个方面。
3.2.1 结合系统存在问题
超声波金属焊接技术在焊接过程中，要实现多种协作系统的相互配合，形成一个紧密结合的整体系统，这个系统包括超声波发生器、声学系统和机械系统。若整个系统的配合
度和协调度不一致，就会导致系统在稳定性、可操作性以及可靠性方面存在一定的问题。
3.2.2
焊机制造困难且对其机理认识不足。由于超声波金属焊接技术能够焊接密度大、厚度高的金属以及异种金属，所以对于实现这种技术的焊机的制造要求较高。相对于传统焊机而言，超声波金属焊机的制造过程更加困难且成本较高，并且由于影响焊接工艺参数的因素较多，不易于对焊机机理的认识和总结。
3.2.3“开敞性”较差且易出高频振动
超声波金属焊机的“开敞性”比较差，其伸入尺寸被严格限定在焊接所允许的范围内，并且其接头形式仍然只限于搭接接头，还没有在技术上取得进一步的突破。同时，超声波金属焊机在焊接过程中的焊点容易出现高频振动，可能致使成品工件的边缘受损，尤其是硬而脆的材料。
3.2.4 检测困难
对于目前超声波金属焊接技术的发展情况来说，对焊接成品质量的检测还是很难做到的，与其相配套的检测设备还没有普及，而适用于传统焊接技术的检测方法又无法适用于新技术。检测技术跟不上就为大批量的生产制造了一定的困难8。
4.超声波金属焊接的实际应用情况
目前超声波金属焊接主要有四个方面的应用：点焊、滚焊、线束和封管，广泛应用于：汽车、制冷、太阳能、电池、电子等各个领域。目前超声波金属焊接的具体应用主要有：①动力电池多层正、负极焊接；镍氢电池镍网与镍片焊接；②锂电池、聚合物电池铜箔与
镍片焊接；铝箔与铝片焊接；铝片与镍片焊接；③汽车线束；电线成型；电线互焊；多条电线互焊成线结；铜、铝线转换电线、电缆与各种电子元件、接点、连接器、端子焊接；
④太阳能电池、平板太阳能吸热板、铝塑复合管滚焊，铜、铝板拼接；⑤电磁开关、无熔丝开关等大电流接点、触点、异种金属片的焊接；⑥冰箱、空调等行业铜管封尾；真空器件铜、铝管焊接等9。
4.超声波金属焊接技术的最新发展
超声波焊接技术有很多发展，下面对几项最新发展进行简单介绍。
4.1超声波焊接机理研究发展
华南理工大学机械工程学院的杨圣文和汤勇做出了重要贡献，他们通过SEM图来观察铜片与铜管的超声波焊接，并得出结论：超声波金属焊接过程是一种包括金属键合和机械嵌合等作用的物理冶金过程。
4.2超声波焊接性能研究发展
过程是一种包括金属键合和机械嵌合等作用的物理冶金过程。其次，在超声波焊接性能的影响因素方面，江苏大学材料科学与工程学院的张春来和王粒粒通过研究表面状态、焊接材料厚度对超声波焊接性能的影响，得出以下结论：表面状态的影响较小，焊接材料厚度与焊接区域温度升高成反比；华南理工大学机械工程学院的张铱洪和马传艺通过研究推导出了焊接区域的理论温度。最后，在焊接性能的模拟分析方面，香港科技大学Yong Ding 等人得出焊接区域的应力应变分布，并详细分析了实际焊接情况和摩擦能量与焊点强度之间的关系10。
4.3金属中迈入FBG传感器
金属中埋入 FBG 传感器，以制造智能金属复合材料与结构；可通过模拟埋入过程来进一步分析其焊接机制；③以前的模拟均是从宏观角度通过热－机耦合研究超声波金属焊接温度场和应力分布，今后从细观力学的角度研究超声波振动对晶粒和织构的影响也是未来研究的一个重要方向11。
4.4最佳的超声波金属滚焊焊接工艺参数范围
英国拉夫堡大学Kong等人通过大量试验分别得出了0．1 mm厚 3003与 6061这 2种铝合金薄片各自最佳的滚焊焊接工艺参数范围，并结合线性焊接密度（真实焊接连接区域占整个焊接面积的比例）与焊接试样剥离强度以及微观组织分析来评价试样的焊接质量。
5.结束语
以上综述过程中，对超声波金属焊接从应用背景、工艺过程、特点及实际应用情况及最新发展等发面展开介绍，在查阅文献整理文献的过程中自己对这种焊接方式也有了较好的了解。
1徐俊辉, 刘博, 宋勇. 超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨[J]. 引文版:工程技术, 2015(43):282-282.
2闫久春, 杨春利, 刘会杰,等. 超声复合焊接研究现状及科学问题[J]. 机械工程学报, 2015, 51(24):41-49.
3李佳音. 超声波扩散焊接工艺研究[D]. 南京航空航天大学, 2007.
4王宋. 超声波金属焊接机理及实验装置研究[D]. 河南理工大学, 2009.
5张胜玉. 塑料超声波焊接技术(下)[J]. 橡塑技术与装备, 2015, 25(10):7-15.
6居炎鹏. 超声波金属焊接的研究现状与展望[J]. 商品与质量, 2016(4).
7涂益民, 邱然锋, 石红信,等. 轻金属材料超声波焊接的研究现状[J]. 轻合金加工技术, 2011, 39(1):16-20.
8徐俊辉, 刘博, 宋勇. 超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨[J]. 引文版:工程技术, 2015(43):282-282.
9刘晓兵, 李鹏, 夏慧,等. 金属超声波焊接技术及其应用[J]. 热加工工艺,
2015(15):14-18.
10韩建辉. 超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨[J]. 科技创新与应用,
2015(35):110-110.
11朱政强, 吴宗辉, 范静辉. 超声波金属焊接的研究现状与展望[J]. 焊接技术, 2010, 39(12):1-6.