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1、第11章 超 声 波 焊,11.1 超声波焊基本原理及接头形成 11.1.1 焊接原理 11.1.2 接头形成机理 11.2 超声波焊接工艺 11.2.1 工艺特点 11.2.2 超声波焊接头设计 11.2.3 超声波焊参数选择 11.3 常用材料的超声波焊 11.3.1 塑料焊接 11.3.2 金属材料的焊接 11.4 超声波焊设备,11.4.1 超声波焊机的型号及典型结构 11.4.2 超声波焊接设备构成及功能,11.1.1 焊接原理,图11-1 超声波焊原理 1超声波发生器 2换能器 3传振杆 4聚能器 5耦合杆 6静载 7上声极 8焊件 9下声极 静压力 纵向振动方向 弯曲振动方向,1
2、1.1.2 接头形成机理,1.接头形成过程 2.接头组织特征,1.接头形成过程,(1)振动摩擦阶段 超声波焊的第一个过程主要是摩擦过程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为几十微米。 (2)温度升高阶段 在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升高(焊区的温度约为金属熔点的%)，变形抗力下降，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。 (3)固相接合阶段,图11-2 超声波焊点区的
3、涡 流状塑性流动层,2.接头组织特征,(1)机械嵌合 超声波焊接接头中常见到两焊件接触处形成塑性流动层，并呈现犬牙交错的机械嵌合，这种接合对连接强度起到有利的作用，但并不是金属的连接，在金属与非金属之间的超声波焊接时，这种机械嵌合作用占主导地位。 (2)金属原子间的键合 在超声波焊接接头中，焊接界面之间存在大量被歪扭的晶粒，这些晶粒是跨越界面的“公共晶粒”，其尺寸与母材金属的晶粒无明显差别，接头不存在明显的界面，两材料之间通过金属原子的键合而连在一起。 (3)金属间的物理冶金 超声波焊接中还存在着由于摩擦生热所引起的再结晶、扩散、相变以及金属间化合物形成等冶金过程。 (4)界面微区的熔化现象
4、超声波焊接时，微区焊接温度很难精确测量，不能排除微区中出现局部熔化现象。,11.2.1 工艺特点,1.超声波焊接特点 2.超声波焊接分类,1.超声波焊接特点,1)可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料(如金、银、铜、铝等)和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料(如导热、硬度、熔点等)、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。 2)焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。 3)焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其
5、焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。 4)被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。 5)形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5%；焊件变形小。 6)不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。,2.超声波焊接分类,(1)点焊 点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。 (2)环焊 环焊方法如图-所示，主要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 与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一
6、条连续焊缝。 (4)线焊 图-是线焊方法示意图，它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到，这种方法最适用于金属薄箔的封口。 (5)双超声波振动系统的点焊 图-是采用两个不同频率的振动系统来完成一个焊点的点焊示意图，上下两个振动系统的频率分别为和(或)，上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。,(6)超声波对焊 超声波对焊主要用于金属的对接，是近年来开发的一种新方法，焊接原理如图-所示。,2.超声波焊接分类,图11-3 超声波焊接的两种类型 )切向传递 )垂直传递 振动方向 1聚能器 2上声极 3焊件 4
7、下声极,图11-4 超声波点焊的类型 )纵向振动系统 )弯曲振动系统 )轻型弯曲振动系统 (图中数字号码及注释同图-，振幅分布 纵向振动振幅分布 弯曲振动振幅分布),1105.TIF,图11-6 超声波缝焊的振动形式 )纵向振动 )弯曲振动 )扭转振动 滚轮上的振幅分布 聚能器上的振动方向 焊点上的振动方向 垂直于纸面(向外) 垂直于纸面(向里),图11-7 超声波线焊示意图,图11-8 采用两个振动系统的,图11-9 超声波对焊示意图,11.2.2 超声波焊接头设计,1.焊点设计 2.焊接界面设计,2.焊接界面设计,(1)导能三角形界面 如图-所示，在两块塑料界面的一边，沿着界面加一条小三角
8、形凸缘，将超声波振动聚集在三角的尖端，由此减小焊件的接触面积，而形成集中的超声波能量。 (2)台阶式界面 为了提高焊接力，可设计成图-所示的台阶式焊接界面(W为板宽)，三角形凸缘可以使凸缘材料熔化之后流入预留的孔隙，能产生较大的切应力及拉力强度，这种设计还可以避免外表面上产生的焊接痕迹。 (3)凹凸插接式界面 如图-1所示，待焊材料设计成带有三角形凸缘的凹凸形式，两焊件之间应留有间隙，凸形焊件壁应有一定的斜度，以便塑料件容易拼合，同时让熔融的材料有流动的空间，不致溢出外面。,图11-10 超声波点焊接头设计 边距 行距 点距,图11-11 导能三角形界面,图11-12 台阶式界面,图11-13
9、 凹凸插接式界面,11.2.3 超声波焊参数选择,1.超声波振动频率 2.振幅 3.静压力F 4.焊接时间 5.焊接功率,图11-14 振动频率与焊点抗剪力的关系 )不同硬度的影响 )不同厚度的影响,图11-15 振幅与铝镁合金 焊点抗剪力的关系,图11-16 静压力与焊点抗剪力的关系 )纯铝.厚 )退火态硬铝.厚,图11-17 焊接时间对焊点抗剪力的影响 1焊接静压力，振幅 2焊接静压力，振幅,图11-18 静压力与功率的临界曲线 功率 静压力,11.3.1 塑料焊接,(1)熔接法 超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化，在一定压力下，使两
10、焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。 (2)埋插法 该方法首先将超声波传至金属(或螺母)，经高速振动，使金属物(螺母)直接埋入成型塑胶内，同时产生高温将塑胶熔化，其固化后完成埋插。 (3)铆接法 将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合时可利用超声铆接法。 (4)点焊法 利用小型焊头将两块大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料焊件上，实现超声波焊接。 (5)成形法 利用超声波将塑料工件瞬间熔化成形。,图11-19 超声波焊接塑料常用的几种方法,图11-20 能进行超声波焊接的纯金属组合,11021.TIF,11022.TIF,2.异种材料及新材料的焊接,1)对于不同性质的金属材料之
11、间的超声波焊接，决定于两材料的硬度。 2)超声波焊可以在玻璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金属箔及金属丝，把两种物理性能相差悬殊的材料制成双金属接头，以满足微电子器件等行业的需求，表-列出了双金属接头的实例。 3)超声波焊接广泛应用于微电子器件的互连、晶体管芯的焊接、晶闸管控制极的焊接，以及电子器件的封装等，最成功的应用是集成电路元件的互连。,图11-23 镍与铜超声波焊点显微组织(),11.4.1 超声波焊机的型号及典型结构,11024.TIF,图11-25 典型的超声波焊接设备 )微型超声波焊机 )计算机辅助超声波焊机 )超声波焊接生产线,11.4.2 超声波焊接设备构成及功能,1.超声波
12、发生器 2.声学系统 3.加压机构 4.程控装置,2.声学系统,(1)换能器 换能器的作用是将超声波发生器的电磁振荡(电磁能)转变成相同频率的机械振动(机械能)，它是焊机的机械振动源。 (2)传振杆 超声波焊接的传振杆是与压电式换能器配套的声学器件，一般由45钢、低合金或超硬铝合金制成，主要是用来调整输出负载、固定系统及方便实际使用。 (3)聚能器 聚能器又称变幅杆，其作用是将换能器所转换成的高频弹性振动能量传递给焊件，以便调节换能器和负载的参数。 (4)耦合杆 耦合杆用于振动能量的传输及耦合，将聚能器输出的纵向振动改变为弯曲振动。 (5)声极 声极是直接与焊件接触的部件，分为上声极和下声极。,图11-26 聚能器的结构形式 )圆锥形 )指数形 )阶梯形,图11-27 焊件的夹持结构 1上声极 2夹紧头 3丝(焊件之一) 4下声极 5焊件,
