特种焊接技术--第五章超声波焊接

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4）与电阻点焊相比，耗用功率仅为电阻点焊 的 5% 左右。变形小于3~5%。焊点强度及强度稳定 性平均提高约15～20％。 5）对工件表面的清洁度要求不高，允许少量 的氧化膜及油污等存在。甚至可以焊接带漆及聚合 物薄膜的金属。根据这一特点，近年来发展了先胶 后点焊的超声波胶点焊方法。 2、超声波焊的缺点 金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率 随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用 于丝、箔、片等薄件。此外，虽然近年来已发明了 超声波对焊方法，但绝大多数情况下超声波焊只适 用于搭接接头。
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§1 超声波焊原理及分类
一、超声波焊接的原理
（一）超声波特性及焊接过程
金属超声波焊接时， 既不向工件输送电流，也 不向工件引入高温热源， 只是在静压力下将弹性振 动能量转变为工件间的摩 擦功、形变能及随后的温 超声波焊原理图 升。接头间的冶金结合是 1-发生器 2-换能器 3-聚能器 在母材不发生熔化的情况 4-耦合杆 5-上声极 6-焊件 7-下声级 下实现的。因此属于固态 A-振幅分布 F-静压力 V -纵向振动方向 1 V2-弯曲振动方向 I-超声波震荡电流 焊接。
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3、加压机构 作用是向焊接部位施加静压力。目前主要有液 压、气压、电磁加压和自重加压等。加压机构还包 括焊件的夹持机构。 4、程序控制器 利用计算机进行声学反馈及自动程序控制，如 超声波点焊的预加压时间、焊接时间、消除粘连时 间、休止时间等。
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二、超声波焊的应用
1、电子工业 广泛应用于微电子器件、集成电路元件、晶体 管芯的焊接。 1）在1mm2硅片上，有数百条25~50μm的Al或 Au丝通过超声波焊将焊点部位相互连接。 2）锂电池中金属锂片与不锈钢底座之间的连 接，以前是嵌合，质量不可靠、电阻大，超声波焊 质量可靠、生产率提高。 2、电器制造 超声波胶点焊在中国制造的50万千伏超高电压 变压器屏蔽构件中获得成功应用。
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（二）根据接头形式分
1、点焊 按能量传递方式可分单侧和双侧两类。当振动 能量值通过上声极导入时为单侧式点焊；分别由上 下声极导入为双侧式点焊。前者最常用。
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二、接头设计及准备
1、接头设计 由于焊接过程母材不发生熔化，焊点不受过大 压力，因此可自由设计点距、边距和行距等参数。 2、焊件表面准备 不需严格清理，因为振动 对表面层有破碎清理作用。氧 化严重和有锈层，仍需清理。 3、上声极选用 e r 尽可能选用摩擦系数大以 及具有足够耐磨性的材料。目 前焊铝、铜等用高速钢、轴承 钢；焊钛、锆、高强钢等常采 用沉淀强化型镍基超级合金。
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§3 超声波焊设备及工艺
一、超声波焊设备
根据焊件的接头形式，超声波焊机可分为点焊 机、缝焊机、环焊机和线焊机等。主要由超声波发 生器、电-声换能耦合器（声学系统）、加压机构、 焊接时间及加压程序定是控制装臵等组成。
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3、新材料制备 可在玻璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金 属箔及丝；也可实现超导材料之间及超导材料与导 电材料之间的连接；铝塑复合管的焊接；物理性能 相差悬殊材料制成的双金属接头等。 如太阳能热水器铜集板与铜管之间的焊Βιβλιοθήκη Baidu。 4、航空、航天及核能工业 宇宙飞船中的核电转换装臵中，铝与不锈钢组 件、导弹的接地线、卫星上的铍窗等。 5、封装工业的包装材料 从软箔小包装到密封管壳等均可采用超声波环 焊、缝焊和线焊焊接密性封装结构。
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二、超声波焊的分类
（一）根据超声波弹性振动能量转入焊件的 方向不同分
1、振动能量由切 向转入焊件表面使界 面产生相对摩擦，图 a）。 适用于金属材 料的焊接； 2、振动能量垂直 于焊件表面方向转入 焊件，图b） 适于塑 料的焊接。
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第五章 超声波焊接
金属材料加工系 材料科学与工程学院
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刘少平制作 压力焊
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人耳只能感觉到 20～20000Hz 频率的声波，高 于 20000Hz 的声波就是超声波了。超声波广泛地应 用在多种技术中，超声波有两个特点，一个是能量 大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个 特点展开的。 超声波焊是利用超声频率的机械振动能量和静 压力的共同作用，对焊件接头进行局部加热和表面 清理，然后施加压力实现焊接的一种压力焊方法。 连接同种或异种金属、半导体、金属与金属陶瓷的 方法。焊接时，利用是在静压力作用下将弹性振动 能转变为工件间的摩擦功、形变能及有限升温。接 头间冶金结合是在母材不熔化情况下实现的，属于 固态焊接。
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特种焊 4、线焊
线焊可以看成是 点焊方法的延伸。利 用线状上声极或将多 个焊点叠合在一起， 在一个焊接循环内形 成一条直线焊缝。现 已经可以通过线状上 声极上次获得150mm 长的线状焊缝。这种 方法最适用于金属箔 片的线状封口。
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特种焊 （1）换能器 将发生器的电震荡能转换成相同频率的机械振 动能，是焊机的机械振动源。有磁致伸缩式和压电 式两种。 磁致伸缩效应是当铁磁材料臵于交变磁场中， 将会在材料的长度方向发生宏观的同步伸缩变形现 象，常用镍片和铁铝合金，工作可靠，但换能效率 仅为20~30%，已被压电式换能器所替代。 压电式是利用某些非金属压电晶体（如石英、 锆酸铅、锆钛酸等）的逆压电效应。当压电材料在 一定晶面上受到压力或拉力时，会出现电荷，称为 正压电效应；反正，当在压电轴方向馈入交变电场 时，晶体会沿一定方向发生同步收缩现象，称逆压 电效应。效率高达80~90%，但寿命短。
焊件
60~80kHz 机械振动
超声波焊点 区的涡流状 塑性流动层 材料科学与工程学院 压力焊 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院
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超声波焊的两个阶段
第一阶段预压阶段。由于上声极超声振动，使 其与上焊件间产生摩擦而造成暂时连接，然后通过 它们直接将超声波传到焊件接触面上，使其产生剧 烈摩擦，清除表面油污、氧化物等杂质，露出纯净 的金属表面，其振幅仅为几十微米。此阶段主要是 摩擦过程，相对摩擦速度与摩擦焊相近。 第二阶段焊接阶段，主要是应力应变阶段。切 应力方向每秒钟将变化几千次，造成摩擦，当焊件 造成局部连接后，振动应力和应变将成为金属间冶 金结合的条件。即在结合面上产生联生晶粒，出现 再结晶、扩散、相变或金属间结合等。局部温度可 达金属熔点的35~50%。
1-发生器 2-换能器 34-耦合杆 A-发生器 B聚能器 -声学系统 5-上声极6-焊件7-下声级8-电磁加压装臵 C-加压机构 D-控制装臵 9-控制加压电源10-程控器 19 材料科学与工程学院 压力焊
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1、超声波发生器 是焊机的核心设备。它是一种具有超声频率的 正弦电压波的电源，实质是一个包括机械振动系统 在内的单级或多级放大的自激振荡器。作用是将工 频（50Hz） 电流变成 15 ~ 60Hz 的震荡电流，并通 过输出变压器与换能器相耦合。 2、声学系统 超声波的关键部件，是电声耦合装臵（声学系 统），由换能器、聚能器（变幅杆）、耦合杆（传 振杆和上下声极）等组成。 主要作用是传输弹性振动能给焊件，以实现焊 接。声学系统设计的关在于按照选定的频率计算每 个声学组元的自振频率。
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特种焊 2、缝焊 缝焊时超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输 给工件，形成具有密封性的连续焊缝。 缝焊可以获得密封的连续焊缝。通常工件被夹 持在上、下焊盘之间。在特殊情况下可采用平板式 下声极。
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特种焊 3、环焊 用环焊方法可以一次形成 封闭形焊缝，采用的是扭转振 动系统。焊接时焊盘扭转，振 动振幅相对于声极轴线呈对称 线性分布，轴心区振幅为零， 焊盘边缘振幅最大。显然环焊 最适用于微电子器件的封装工 艺。有时环焊也用于对气密要 求特别高的直线焊缝场合，此 时可采用部分重叠环焊方法， 类似缝焊获得连续直线焊缝。
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§2 超声波焊特点及应用
一、超声波焊接的特点
1、超声波焊的优点 1）可适用于多种组合材料的焊接。 2）由于是固相焊接方法，不受冶金焊接性的 约束，不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。 微电子器件中，半导体硅片与金属细丝（Au、Ag、 Al、Pt、Ta）的精密焊接是超声波焊接方法最重要 和最成功的一个应用领域。 3）适于焊接高热导率及高电导率的材料。例 如金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊 的，使用超声波焊接，这些金属成为最容易焊接的 几种材料。
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特种焊 在进行超声波焊接时，通常由高频发生器产生 16 ~ 60KHz的高频电流，通过激磁线圈产生交变磁 场，使铁磁材料在交变磁场中发生长度的交变伸缩 （磁致伸缩），超声频率的电磁能便转换成为振动 能，再由传送器传至声极；同时通过声极对工件加 压，平行于连接面的机械振动起着破碎和清除工件 表面氧化膜的作用，并加速金属的扩散和再结晶过 程。适当选择振荡频率，当发生器振荡电流频率与 声学系统的自振频率一致时，产生共振，在配合适 当压力和焊接时间，即可获得优质接头。焊件变形 率一般低于3~5％。 超声波焊缝的形成过程主要由震动剪切力、静 压力和接头区的升温三个因素所决定。
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超声波焊接原理示意图
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（二）超声波焊接机理
1、接触塑性流动层内机械嵌合 在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要 作用，在金属与非金属焊接时起主导作用。 2、金属原子间的键合 接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接 部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶 粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。 3、焊接过程中的金属间物理冶金反应 接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应， 如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是 有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小于 2s） 再结晶、扩散、相变难以实现。 4、也有人提出界面有微区熔化现象。
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特种焊 （2）聚能器（变幅杆） 作用是将换能器所转换的成的高频弹性振动能 量传递给焊件，还有使输出振幅放大和集中能量的 作用。焊接时振幅一般在 5~40μm，而一般换能器 小于此数值，所以必须放大。 （3）耦合杆 用于改变振动形式，一般是将聚能器输出的纵 向振动改变成为弯曲振动，通常为圆柱形，气自振 频率应根据耦合条件设计。 （4）声极 分上、下声极，是超声波焊机直接与焊件接触 的声学部件，并与聚能器或耦合杆连接。上声极可 做成球面，下声极用以支撑工件和所加压力的反作 用力。
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超声波焊接中能量转换与传递过程
电网 ~ 50kHz 超声波 发生器 60~80kHz 电磁振荡 磁致伸缩 换能器 聚能器 上声极 空气-传播超 声波声能 16~80kHz. 机械振动 改变方向 传振杆 16~80kHz. 机械振动