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1、第六单元 超声波焊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综合知识模块 6.1 超声波焊概述o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。6.1 超声波焊概述o6.1.1 超声波焊基本原理o6.1.2 超声波焊的种类o6.1.3 超声波的特点及应用6.1.1 超声波焊基本原理o一、基本原理一、基本原理 o二、接头形成过程二、接头形成过程 一、基本原理一、基本原理二、接头形成过程二、接头形成过程 o1振动摩擦阶段 o2
2、温度升高阶段 o3固相接合阶段 6.1.2 超声波焊的种类o根据超声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊可分成两类：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。o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。1.点焊点焊 o焊接时焊件在圆柱状的上下声极压紧下实施焊接的，每次完成一个焊点。o按能量传递方式分，点焊可分为单侧式和双侧式。o按振动系统分，点焊可采用纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。2.环焊环焊 o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。3缝焊缝焊 o焊件夹持在圆盘
3、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。o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。4线焊线焊 o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。6.1.3 超声波的特点及应用o一、超声波焊的特点一、超声波焊的特点 o二、超声波焊的应用范围二、超声波焊的应用范围 一、超声波焊的特点一、超声波焊的特点o1可焊材料范围广 o2特别适用于金属箔片、细丝以及微型器件的焊接 o3焊件不熔化，焊接温度相对较低，焊件变形小 o4被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小 o5与
4、电阻点焊比较，耗电功率小 o6操作简便、焊接速度快、生产效率高等优点 二、超声波焊的应用范围二、超声波焊的应用范围 o1电子工业 o2电器工业 o3包装工业 o4航空航天及核能工业 o5塑料工业 o6其他应用 6.2 超声波焊的工艺设备o6.2.1 超声波焊的工艺o6.2.2 超声波焊设备6.2.1 超声波焊的工艺o一、接头设计一、接头设计 o二、焊件表面准备二、焊件表面准备 o三、上声极的选用三、上声极的选用o四、焊接参数的选择四、焊接参数的选择 一、接头设计一、接头设计o1边距e o2点距s o3行距r 二、焊件表面准备二、焊件表面准备o超声波焊时，对焊件表面不需进行严格清理，因为超声振动
5、本身对焊件表面层有破碎清理作用。o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。三、上声极的选用三、上声极的选用 o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。o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；o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。四、焊接参数的选择四、焊接参数的选择 o1.焊接功率焊接功率 2.振动频率振动频率 3振幅振幅 4.静压力静压力 5.焊接时间焊接时间 o焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间。o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
6、焊接效果通常优于低功率和较长时间的焊接效果。o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。6.2.2 超声波焊设备o一、超声波焊接设备的组成超声波焊接设备的组成 o二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参数数 一、超声波焊接设备的组成超声波焊接设备的组成 1超声波发生器超声波发生器 o超声波发生器是用来将工频（50Hz）电流变换成1560kHz的振荡电流，并通过输出变压器与换能器相匹配。o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。2声学系统声学系统 o声学系统由换能器、聚能器、耦合杆和声极组成。o
7、1）换能器 o2）聚能器 o3）耦合杆 o4）声极 3.加压机构加压机构 o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。o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。4.程序控制器程序控制器 二、部分国产超声波点焊机的型号及技术二、部分国产超声波点焊机的型号及技术参数参数 6.3 典型材料的超声波焊o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
8、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。6.3 典型材料的超声波焊o6.3.1 同种材料的超声波焊o6.3.2 异种材料的超声波焊6.3.1 同种材料的超声波焊o超声波焊接金属材料时，最常用的方法是点焊。o超声波焊接易于实现同种金属材料的可靠连接。o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。6.3.1 同种材料的超声波焊o一、同种金属材料的焊接同种金属材料的焊接 o二、塑料的超声波焊二、塑料的超声波焊 一、同种金属材料的焊接同种金属材料的焊接o1铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接 o2铜及铜合金的焊接铜
9、及铜合金的焊接 o3钛及钛合金的焊接钛及钛合金的焊接 o4高熔点材料的焊接高熔点材料的焊接 1铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接o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。o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。o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。2铜及铜合金的焊接铜及铜合金的焊接o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。3钛及钛合金的焊接钛及钛合金的焊接o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
10、发现，有时产生的相变，也有未经相变的焊点组织，但均能获得满意的接头强度。4高熔点材料的焊接高熔点材料的焊接 o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。o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。o对于多层金属结构，也可以采用超声波焊。二、塑料的超声波焊二、塑料的超声波焊o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。o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。优点 o1焊接效率高
11、，焊接时间不超过1s。o2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。o3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。o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。o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。o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。o塑料超声波焊的焊缝质量主要与母材的焊接性、被焊焊件和焊缝的几何形状和公差范围、超声波振头、焊接参数以及振头压入深度的调整和稳定控制等因素有关。6.3.2 异种材料的超声波焊o对于不同性质的金属材料之间的超声波焊接，决定于两材料的硬度。o材料的硬度越接近，硬度值越低，超声波焊接性就越好。o硬度相差悬殊的两种材料焊接时，当其中一种材料的硬度较低、塑性较好时，也可以形成高质量的接头。o在焊接铝制点火模件衬底和铜制衬垫时，通过超声波自动焊接系统可达到每小时完成3000个焊点的生产效率。o对于不同厚度的金属材料也有很好的超声波焊接性，甚至焊件的厚度比几乎可以是无限制的。o异种金属焊接时，接头组织比较复杂。