特种焊接技术超声波焊

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6.3 典型材料的超声波焊
6.3.1 同种材料的超声波焊 6.3.2 异种材料的超声波焊
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6.3.1 同种材料的超声波焊
超声波焊接金属材料时,最常用的方法是点 焊。
超声波焊接易于实现同种金属材料的可靠连 接。
利用超声波焊接不同厚度的组合焊件时，超 声振动应从比较薄的焊件一方导入，焊接参 数也是根据薄焊件的厚度来确定。
在静压力和弹性机械振动引起的交变切应力的共同作用下， 焊件间接触表面的塑性流动不断进行;
使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料内部，
促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的
范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出
现再结晶现象。
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二、接头形成过程
3．固相接合阶段 随着摩擦过程的进行,微观接触面积越来越大，接触部分 的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至形成涡流状的塑性 流动层，导致焊件表面之间的机械咬合; 引起了物理冶金反应，在结合面上产生联生晶粒，出现再 结晶、扩散、相变及金属间的键合等冶金现象，形成牢固 的接头。
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一、接头设计
1．边距e 2．点距s 3．行距r
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二、焊件表面准备
超声波焊时,对焊件表面不需进行严格清理，因为超声 振动本身对焊件表面层有破碎清理作用。
焊件表面被严重氧化或已有锈蚀层，焊前仍需清理，通 常采用机械磨削或化学腐蚀方法清除。
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5. 焊接时间
➢ 焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间。 ➢ 焊接时间的选择随材料性质、厚度及其他焊接参数而定,
高功率和短时间的焊接效果通常优于低功率和较长时间 的焊接效果。 ➢ 上述几个焊接参数之间并不是孤立的，而是相互影响、 相互关联，应统筹考虑。
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6.2.2 超声波焊设备
塑料超声波焊机一般由超声波发生器、焊压 台和焊具三大部分组成。
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优点
1．焊接效率高,焊接时间不超过1s。 2．焊前焊件表面可不处理，由于残存在塑
料零件上的水、油、粉末、溶液等不会影响 正常焊接，因而特别适用于各类物品的封装 焊。
3．焊接过程仅在焊合面上发生局部熔化， 因而可避免污染工作环境，而且焊点美观， 不产生混浊物，可获得全透明的焊接成品。
一、超声波焊接设备的组成 二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参
数
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一、超声波焊接设备的组成
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1．超声波发生器
超声波发生器是用来将工频（50Hz）电流 变换成15～60kHz的振荡电流,并通过输出 变压器与换能器相匹配。
超声波发生器必须与声学系统相匹配才能使 系统处于最佳状态，获得高效率的输出功率。
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2．声学系统
声学系统由换能器、聚能器、耦合杆和声极 组成。
1）换能器 2）聚能器 3）耦合杆 4）声极
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3. 加压机构
向焊接部位施加静压力的加压机构主要有液 压、气压、电磁加压和自重加压等。
大功率超声波焊机多采用液压方式,冲击力 小;小功率超声波焊机多用电磁加压或自重 加压方式，这种方式可以匹配较快的控制程 序。
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二、超声波焊的应用范围
1．电子工业 2．电器工业 3．包装工业 4．航空航天及核能工业 5．塑料工业 6．其他应用
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6.2 超声波焊的工艺设备
6.2.1 超声波焊的工艺 6.2.2 超声波焊设备
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6.2.1 超声波焊的工艺
一、接头设计 二、焊件表面准备 三、上声极的选用 四、焊接参数的选择
对于较低强度的铝合金，超声波点焊和电阻 点焊或缝焊的接头强度大致相同。
超声波焊接铝及铝合金的表面准备要求比其 他任何一种焊接方法都低。正常情况下，铝 的表面一般进行脱脂处理。
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2．铜及铜合金的焊接
铜及铜合金的焊接性好,焊前需要对表面进 行清洗，去除油污，焊接参数和设备选择与 铝合金相似。
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6.1 超声波焊概述
6.1.1 超声波焊基本原理 6.1.2 超声波焊的种类 6.1.3 超声波的特点及应用
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6.1.1 超声波焊基本原理
一、基本原理 二、接头形成过程
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一、基本原理
超声波焊原理示意图 1-发生器 2-换能器
用来放大振幅 并耦合负载
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6.3.1 同种材料的超声波焊
一、同种金属材料的焊接 二、塑料的超声波焊
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一、同种金属材料的焊接
1．铝及铝合金的焊接 2．铜及铜合金的焊接 3．钛及钛合金的焊接 4．高熔点材料的焊接
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1．铝及铝合金的焊接
铝及铝合金是应用超声波焊最多,也是最能 显示出这种焊接方法优越性的材料。
一、超声波焊的特点 二、超声波焊的应用范围
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一、超声波焊的特点
1．可焊材料范围广
可以焊接厚薄 相差悬殊焊件
2．特别适用于金属箔片、细丝以及微型器件的焊接
3．焊件不熔化,焊接温度相对较低，焊件变形小
4．被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小
5．与电阻点焊比较，耗电功率小
6．操作简便、焊接速度快、生产效率高等优点
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超声波焊点区的涡流状塑性流动层
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6.1.2 超声波焊的种类
根据超声波弹性振动能量传入焊件的方向,可分成两类: ➢一类是振动能由切向传递到焊件表面而使焊接界面之间产 生相对摩擦用于金属材料的焊接 ; ➢另一类是振动能由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要 用于塑料的焊接。 超声波焊接的接头必须是搭接接头，根据接头焊缝的形式， 金属超声波焊可分为点焊、缝焊、环焊和线焊等几种类型。
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超声波焊的两种类型 a）切向传递 b）垂直传递 V-振动方向 F-静压力 1-聚能器 2-上声极 3-焊件 4-下声极
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1. 点焊
焊接时焊件在圆柱状的上下声极压紧下实施焊接的,每单侧式和双侧式 。 按振动系统分，点焊可采用纵向振动系统、弯曲振动系
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2. 振动频率
谐振频率的选择以焊件的厚度及物理性能为依据,一般
控制在15～75 kHz之间。
➢薄件焊接时,宜选用较
高的谐振频率，因为在
维持机械能不变的前提
下，提高振动频率就可
以相应降低振幅，从而
减轻薄件因交变应力而
可能引起的疲劳破坏。
➢焊接厚件时或焊接硬
度及屈服强度都比较低
的材料时，宜选用较低
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超声波环焊示意图 1-换能器 2、3-聚能器 4-耦合杆 5-上声极 6-焊件 7-下声极
F-静压力 V-振动方向
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3．缝焊
焊件夹持在圆盘状上、下声极之间,连续焊接获得局部相 互重叠的焊点，从而形成一条连续焊缝 。
根据圆盘状声极的振动状态，超声波缝焊可分为纵向振 动、弯曲振动和扭转振动三种形式。
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焊接模塑件时,超声波导能筋的形式及其设 计原则取决于被焊塑料的种类和模塑件的几 何形状。
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高硬度金属材料之间的超声波焊接、或焊接 性较差的金属材料之间的焊接，可通过添加 中间过渡层的方法实现超声波焊接。
对于多层金属结构，也可以采用超声波焊。
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二、塑料的超声波焊
塑料焊接时,通常尽量将焊件的结合面置于 谐振曲线的波节点上，以便在这里释放出最 高的局部热量，以使材料受热熔化达到焊接 的目的。
的振动频率。
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3．振幅
振幅是超声波焊接工艺的主要焊 接参数之一,它决定着摩擦功率的 大小，关系到材料表面氧化膜的 清除效果、塑性流动的状态以及 结合面的加热温度等，因此根据 被焊材料的性质及其厚度来正确 选择振幅值是获得良好接头质量 的保证。
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4. 静压力
静压力是直接 影响功率输出 及焊件变形条 件的重要因素。 静压力的选用 取决于材料的 厚度、硬度、 接头形式和使 用的超声波功 率。
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4．线焊
线焊是利用线状上声极或将多个点焊声极叠合在一起, 在一个焊接循环内形成一条直线焊缝，也可以看成是点焊 的一种延伸。
超声波线焊示意图 1-换能器 2-聚能器 3-焊接声极
头（长125mm） 4-心轴 V-振动方向 F-静压力
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6.1.3 超声波的特点及应用
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3．钛及钛合金的焊接
钛及钛合金具有很好的焊接性,焊接参数选 择范围比较宽。焊点经显微组织分析发现， 有时产生α→β的相变，也有未经相变的焊点 组织，但均能获得满意的接头强度。
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4．高熔点材料的焊接
对于金属钼、钨等高熔点的材料,由于超声 波焊可避免接头区的加热脆化现象，从而可 获得高强度的焊点质量。
间产生摩擦而造成暂时的连接，然后通过它们直接将超声 振动能传递到焊件间的接触表面上，在此产生剧烈的相对 摩擦，由初期个别凸点之间的摩擦逐渐扩大到面摩擦，同 时破坏、排挤和分散表面的氧化膜及其他附着物。
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二、接头形成过程
2．温度升高阶段
接触表面温度升高,当焊合区的温度约为金属熔点的35 ％～50%时，变形抗力下降;
统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。
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超声波点焊示意图
1-静压力 2-上声极 3-焊件 4-下声极 V-振动方向
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2. 环焊
用于一次成形的封闭形焊缝,能量传递采用的是扭转振 动系统。 焊缝一般是圆环形的，也可以是正方形、矩形或椭圆形的。 上声极的表面按所需要的焊缝形状制成。
3-聚能器 4-耦合杆
15～60kHz
5-上声极
6-焊件
7-下声极
A-振幅分布 I-超声波振荡电流
F-静压力 V1-纵向振动方向
V2-弯曲振动方向
利用逆压电效应将电磁能 转换成弹性机械振动能
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超声波焊接中能量转换与传递过程示意图
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二、接头形成过程
1．振动摩擦阶段 超声波焊初期,由于上声极的超声振动，使其与上焊件之
第六单元 超声波焊
综合知识模块
6.1 超声波焊概述 6.2 超声波焊的工艺设备 6.3 典型材料的超声波焊
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6.1 超声波焊概述
超声波焊接（ultrasonic welding,USW )是两焊件在 压力作用下，利用超声波的高频振荡，使焊件接触表面产 生强烈的摩擦作用，以清除表面氧化物并加热焊件而实现 焊接的一种固态焊接方法。
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焊接结晶性塑料和软质塑料时,需要在离振 头较近的近场区焊接。超声波焊主要用于焊 接模塑件、薄膜、板材和线材等，在焊接时 不需加热或添加任何溶剂和粘结剂。
塑料超声波焊的焊接面预加工有一些特殊要 求，在焊接面上，常设计带有尖边的超声波 导能筋 。
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7.目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件,且只限于搭接接头 形式。
8.焊点表面容易因高频机械振动而引起边缘的疲劳破坏， 对焊接硬而脆的材料不利。
9.缺乏精确的无损检测方法和设备，因此超声波焊接质量 目前难以进行在线准确检验，在实际生产中还难以实现 大批量机械化生产。
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三、上声极的选用
➢ 上声极所用的材料、端面形状和表面状况等会影响到焊 点的强度和稳定性。
➢ 焊接铝、铜、银等较软金属的声极材料较多采用高速钢、 滚珠轴承钢;
➢ 焊接钛、锆、高强度钢及耐磨合金常采用沉淀硬化型镍 基超级合金等作为上声极。
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四、焊接参数的选择
1. 焊接功率 超声波焊接功率随焊件厚度和硬度的增加而增加。
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4. 程序控制器
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二、部分国产超声波点焊机的型号及技术 参数
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6.3 典型材料的超声波焊
超声波焊属于固相焊接,目前主要用于小型 薄件的焊接，焊接质量可靠，经济性较好。 超声波焊不仅可以焊接铝、铜、金等较软的 金属材料，也可用于钢铁材料、钨、钛、钼 等金属的焊接，物理性质相差悬殊的异种金 属，甚至金属与半导体、金属与陶瓷等非金 属以及塑料等异种材料均可以采用超声波焊。