超声波焊接手册

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1、.0焊接手册第一册第31章 超声波焊接作者 齐志扬 审者 李致焕311 概述超声波焊是利用超声频率（超过16KH z）的机械振动能量在静压力的一起作用下，连接同种或异种金属、 半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方式。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 成工件间的摩擦功、形变能及随后有限的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情形下实现的，因此是 一种固态焊接。典型的超声波焊接系统见图31-1图31-1 超声波焊原理1-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（焊头）8-工件 9-下声极（焊座）

2、F-静压力V1-纵向振动方向V2-弯曲振动方向由上声极传输的弹性振动能量是通过一系列的能量转换及传递环节产生的，这些环节中，蚩声波发生器是一 个变频装置，它将工频电流转变成超声波频率（1560KHz）的振荡电流。夔能器那么利用逆压电效应转换成弹 性机械振动能。传振杆、聚能器用来放大振幅，并通过耦合杆上声极传递到工件。换能器、传振杆、聚能器、耦 合杆及上声极组成一个整体，称之为声学系统。声学系统中各个组元的自振频率，将按同一个频率设计，当发生 器的振荡电泫频率与声学系统的自振频率一致时，系统即产生谐振（共振），并向工件输出弹性振动能。超声波焊焊缝的形成要紧由振动剪切力、静压力和焊区的温升三个因素

3、所决定。综观焊接进程，蹙声波焊经 历了如下三个时期。（1）摩擦：超声波焊的第一个进程主若是磨擦进程，其相对磨擦速度与磨擦焊相近只是振幅仅仅为几十 微米。这一进程的要紧作用是排除工件表面的油污、氧化物等杂质，使纯净的金属表面暴露出来。（2）应址应变进程：从光弹应力模型中能够看到剪切应力的方向每秒将转变几千次，这种应力的存在 也是造成磨擦进程的起因，只是在工件间发生局部连接后，这种振动的应力和应变将形成金属间实 现冶金结合的条件。在上述两个步骤中，由于弹性滞后，局部表面滑移及塑性变形的综合结果使焊区的局部温度升高。通过 测定，焊区的温度约为金属熔点的35%-50%（3）固相焊接：用光学显微镜和电子

4、显微镜对焊缝截成所进行的查验说明，焊接之间发生了相变，再结 晶、扩散和金属间的键合等冶金现象，是一种固相焊接进程。由于固态焊接不受冶金焊接性的约束,没有气、液相污染,不需其他热输入（电流），几乎所有塑性材料均能够焊 接外，还专门适合于：物理性能不同较大（如导热、硬度）、厚度相差较大的异种材料的焊接，关于高热导率、 高电导率材料（如金、银、铜、铝等）是超声波焊最易于焊接的材料。由于超声波焊所需功率随工件厚度及硬度 的提高呈指数剧增。因此，还多用于片、箔、丝等微型、周密、薄件的搭接接头的焊接。超声波点焊机的典型结构组成见图31-6,由超声波发生器(A)声学系统(B)加压机构(C)程控装置(D)等四

5、部份组成.3图31-6超声波点焊机的典型结构组成A) 超声波点焊机的组成B) 功率为3KW的超声波缝焊机1-超声波发生器；2-换能器；3-传振杆；4-聚能器；5-耦合杆；6-上声极；7-工件；8-下声极；9-电磁加压装置； 10-操纵加压电源；11-程控器；12-电源超声波发生器超声波发生器用来将工频(50HZ)电流变换成超声频率(1560KHZ)的振荡电流，并通过输出变压器与 换能器相匹配。目前有电子管放大式、晶体管放大式、晶闸管逆变式及晶体管逆变式等多种路形式。其中电子管式效率低， 仅为30%-45%，已经被晶体管放大式等所替代。目前应用最广的是晶体管放大式发生器，在超声波发生器作为 焊接

6、应历时，频率的自动跟踪是一个必备的性能。由于焊接进程随时会发生负载的改变和声学系统自振频率的转 变，为确保焊接质量的稳固，利用取自大载的反馈信号，组成发生器的自激状态，以确何自动跟踪和最优的负载 匹配。有些发生器还装有恒幅操纵器，以确保声学系统的机械振幅维持恒定。这时选择适合的振幅传感器将成为技 术关键。最近几年显现的晶体管逆变式发生器使超声波发生器的效率提高到95%以上，而设备的体积大幅度减 小。(1) 换能器 换能器用来将超声波发生器的电磁振荡转成相同频率的机械振动。经常使用的换能器有压电式 及磁致伸缩式两种.压电换能器的最要紧优势是效率高和利用方便,一样效率可达80%-90%,它是基于逆

7、压电效应。石英、锆酸铅、锆钛酸铅等压电晶体，在必然的结晶面受到压力或拉力时将会显现电荷，称之为压电效应， 反之，当在压电轴方向馈入交变电场时，晶体就人沿着必然方向发生同步的伸缩现象，即逆压电效应,。压电换 能器的据点是比较脆弱，利用寿命较短。磁致伸缩换能器是依托磁致伸缩效应而工作。当将镍或铁铝合金等材料置于磁场中时，作为单元铁磁体的磁 畴将发生有序化运动。并引发材料在长度上的伸缩现象，即磁致伸缩现象。磁致伸缩换能器是一种半永久性器件，工作稳固靠得住，但由于效率仅为20%-40%，除特大功率的换能器 和持续工作的大功率缝焊机，因冷却有困难而被采纳外，已经被压电式换能器所取你（2）传振杆：超声波焊

8、机的传振杆主若是用业高速输出负载、因定系统和方便实际利用，是与压电式换能 器配套的声学主件。传振杆通常选择放大倍数 0.八、一、1.25 等几种半波长阶梯型杆，由于传振杆主要用 来传递振动能量，一般可以选择由45#钢或30CrMnSi低合金钢或超硬铝合金制成。（3）聚能器：聚能器又称变幅杆，在声学系统中起着放大换能器输出的振幅并耦合传输到工件的作用。 各类锥形杆都能够用作为聚能器，设计各类聚能器的一起目标是使聚能器的自振频率能与换能器的推动频 率谐振，并在结构上考虑适合的放大倍数、低的传输损耗和自身具有的足够机械强度。指数锥聚能器由于可利用较高的放大系数，工作稳固，结构强度高，因此常常优先选择

9、。另外，聚能器作 为声学系统的一个组件，最终要被固定在某一装置上，以便实现加压及运转等，从有效上考虑，在磁致伸缩型的 声学系统中往往将固定整个声学系统的位置设计在聚能器的波节点上。某些压电式声学系统也有类似的设计。聚能器上作在疲劳条件下，设计时应重点考虑结构的强度，专门是声学系统各个组元的连接部位，更是需 要专门注意。材料的抗疲劳强度及感少振动时的内耗是选择聚能器材料的要紧依据，目前经常使用的材料有 45# 钢、30Cr MnSi、超硬铝合金、蒙乃尔合金和钛合金等。（3）耦合杆：耦合杆用来改变振动形式，一样是将聚能器输出的纵向振动改变成弯曲振动，当声学系统 含有耦合杆时，振动能量的传输及耦合功

10、能就都由耦合杆来承担。除应依照谐振条件来设计耦合杆的自振频率外， 还能够通过波长数的选择来调整振动振幅的散布，以取得最优的工艺成效。耦合杆在结构上超级简单，通常都是一个圆柱杆，但其工作状态较为复杂，设计时需要考虑弯曲振动时的 自身转动惯量及其剪切变形的阻碍，而且约束条件也很复杂，因此实际设计时要比聚能器复杂。一样选择聚能器 相当的材料制作耦合杆，二者用钎焊的方式连接起来。（4）声极（焊头、焊座）：超声波焊机中直接与工件接触声学部件称为上、下声极。关于点焊机来讲，能够 用各类方式与聚能器或耦合杆相连接，而缝焊机的上下声极能够确实是一对滚盘，至于塑料用焊机的上声极，其 形状更是随零件形状而改变。可

11、是，不管是哪一种声极，在设计中的大体问题仍然是自振频率的设计，显然，上 声极有可能成为最复杂的一个声学元件。重点 1）通用点焊机的上声极（焊头）是最简单的，一样都将上声极的端部制成一个简单的球面，其曲率 半径约为可焊工件厚度的50-100倍。上声极要尽可能谐振，如何衡量上声极（焊头）材料要耐磨大摩擦系数耐 高温，故多用高速钢、滚珠轴承钢为材料。通过电火花加工出花纹。例如，关于可焊1MM工件的点焊机，其上 声极端面的曲率半径可选75MM。缝焊机的滚盘按其工作状态进行设计。例如，选择弯曲振动状态时，滚盘的自振频率应设计成与换能器频 率相一致。2）与上声极反，下声极（有时称为铁砧、焊座）在设计时应选

12、择反谐振状态，从而使谐振能可在下声极 表面反射，以减少能量的损失。有时为了简化设计或受工作条件限制也可选择大质量的下声极。超声波焊机的声学系统是整机的心脏，而声学系统设计关键在于依照选定的频率计算每一个声学组元的自 振频率。如何计算？在专业公司用振动台来检查振幅，判定其振荡频率。向工件施加静压力的加压机构是形成焊接接头的必要条件，目前要紧有液压、气压、电磁加压及自重加 压等几种。其中液压方式冲击力小、要紧用于大功率焊机，小功率焊机多采纳电磁加压或自重加压方式，这种方 式能够匹配较快的操纵程序。实际利用中加压机构还可能包括工件的夹持机构。见图31-8。4）超声波焊接时防止焊件滑动、更有效地传输振

13、动能量往往是十分重要的，在焊薄件时，应昼减少振幅，因为如果焊头的滑动大于工件间的滑动，那么大量能量会浪费掉。图 31-8 工件夹持结构1- 声学头（焊头） 2-夹紧头 3-丝（焊件之一） 4-工件 5-下声极 （焊座表31-1是国产超声波焊机的型号及其技术参数。型号发生器功率 /W谐振频率/KHZ静压力/N焊接时间/S-1可焊工件厚度/MMCHJ-28 点焊机451512030120KDS-80 点焊焊机8020202000.056缝焊机2501921151002501921151800.53P1925 点焊机 P1950 点焊机25050020195403500.110.12CHD-1 点焊

14、机100018206000.13CHF1 缝焊机1000182050015CHF-3 缝焊机30001820600112SD-5 点焊机5000171840001）力学 性 能：超声波焊接接 头具 有良好的 力学 性 能，尤其是关于那些在熔化焊及电阻焊中属于焊接性不良的金属更能显示这一固相焊接方式的优势。这种接头有三个重要特点：表面特点显著，接头强度高和金相组织一致。表面特点是指超声波焊点的表面通常比较粗糙，这是上声极与工件表面之间相对磨擦的结果。专门是在焊接工艺参数及声极选择不那时，可能显现焊点周围的翘曲皱缩，乃至发生焊点周围区母材的破坏。超声波焊接接头的力学性能一样是通过剪力或拉力实验的断

15、裂特点来进行测定和比较。例如，在点焊时一般是依照单点断裂的剪力值来进行比较。焊点的剪力值取决于焊点的尺寸和材料的强度。必需依照工件材料的硬度 合理选择上声极的球面尺寸，调整焊接静压力的大小。很多情形下超声波焊的工件是一些细丝、薄壁管、丝网等微型零件，因此，有时就象电阻焊一样用撕裂法来 定性地判定其接头的力学性能。由于目前尚无专用的标定法，因此超声波焊点剪力强度一般是与电阻点焊的抗剪强度进行比较。图31-9所 示为镍铬不锈钢及耐热合金的超声波焊与电阻焊焊点抗剪切强度比较，一样情形下超声波焊的抗剪强度比电阻点 焊最低标准值高一倍左右。的超声波点焊的焊点抗剪强度。若是就焊点的疲劳强度进行比较，那么超声波焊的性能也比电阻焊的优良，如图31-10所示，关于铝铜合金来讲约的提高了 30%。可是，关于那些铸造组织的合 金材料，超声波焊点的抗疲劳强度并非能取得显著改善。异样中金属焊接考虑重点:1）尽可能让二者的比热容、热导率、线膨胀系数一致。2）若是厚不同且比热容融点导热性不同，适当配合材料保证二者几乎同步为最正确。3）镍、铜易于焊接因为各