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1、金属焊接大作业题目名称： 超声波焊接的发展及展望 学生姓名： 院 (系)： 专业班级： 学号(序号)： 目录一、摘要 2二、超声波金属点焊接原理及特点21. 超声波金属焊接的优点22. 超声波金属焊接的不足33. 影响超声波金属焊接质量的主要因素3三、国内外研究现状41. 研究现状国内42. 国外研究现状5四、制约国内超声波金属焊接技术发展的几个关键因素7五、超声波金属焊接技术今后发展方向7六、参考文献8摘 要:简介了超声波焊接技术的基本原理、目前的发展状况，对目前国内外金属超声波焊接设备进行了简要简介，对国内有关领域的发展进行了总结，分析了目前制约金属超声波焊接技术的核心因素和解决的对策,并
2、对超声波技术的发展趋势进行了展望。核心词:超声波焊接;发展状况；发展趋势Te asic pricipes ofutaonic weling technique nd te esen researh satus ere presnted, theetalultroi weldig appartus atome ad brad ee briefly inroued, adtmstc devopments in the relevant talultrsoni ldingareswere smmaried. oover,the ky ftrs ta urrenly affectmeta ultras
3、oic ling nd thesolutons tothese issues wre aayzd，tedeelpmt tenncy ofutrasonicmtl wedi tehnius wapointe out tthe end.K wods:ultronic weldig；devlopmentstatus; delomet tendncy超声波金属焊接还在电子工业、电器制造、新材料的制备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高档零件的密封技术方面均有很广泛的应用,量比电流焊接少得多，超声波邦定作为超声波金属焊接的一种小功率应用,常用于晶体管或集成电路引线的焊接。当用于药物和易爆材料的密封焊时，
4、能避免一般的焊接方式因有溶解物等导致对药物的污染，不会因受热或产生火花而引起爆炸。对于国内建设资源节省型、环境和谐型的现代化社会,超声波金属焊接将发挥很大的增进作用。超声波金属焊接原理及特点超声波金属焊接原理超声波金属焊接是在19世纪30年代偶尔发现的。当时在做电流点焊电极加超声振动实验时,发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清晰。它类似于摩擦焊，但有区别,超声波焊接时间很短，局部焊接区温度低于金属的再结晶温度;它与压力焊也不相似，由于所加的静压力比压力焊小得多。一般觉得在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动除去金属表面
5、的氧化物,并使粗糙表面的突出部分产生反复的微焊、变形和破坏而使接触面积增大,同步使焊区温度升高,在焊件的界面处产生塑性变形。在接触压力的作用下,互相接近到原子引力可以发生作用的距离时，即形成焊点。目前较为公认的一种对超声波金属焊接原理的解释为:焊接金属材料时,由超声波发生器产生超生频率振动电流,再由换能器运用逆压电效应使之转换成弹性机械振动能，并通过声学系统向焊件输入。两被焊工件的接触界面在静压力和弹性振动能量的共同作用下，通过摩擦、温升和变形,使氧化膜或其她表面附着物被破坏，并使纯净界面之间金属原子无限接近，产生结合与扩散，实现可靠连接。11超声波金属焊接的长处超声波金属焊接压力小，能耗低,
6、且能焊接异种金属材料。基于这些特点,可通过综合运用超声波金属焊接技术和数控铣削技术来使金属零件迅速成形,并在成形过程中埋入功能器件来制作智能金属基复合材料等。金属超声波焊机可进行点焊、持续焊，其焊接速度快。在应用范畴方面,虽然材料间的物理性能相差悬殊，也能较好地焊接;还可进行其她措施无法奏效的金属箔片、细丝、微小的器件及厚薄悬殊、多层金属片的焊接。超声波金属焊接焊点强度高，且其稳定性好，具有高抗疲劳强度特性。焊接过程无需采用水冷和气体保护，被焊工件的变形很小,焊接完毕后工件无需进行退火等热解决。超声波金属焊接过程自身涉及着对焊接件表面氧化层的破碎清理作用,焊面清洁美观,无需像其她焊接措施那样进
7、行焊后清理。金属的超声波焊接不用焊条,焊接区不通电,不直接对被焊金属加热。焊接同一工件金属,与焊条电弧焊、气焊相比，超声波焊能耗要小得多。由于不需要添加焊剂,不污染被加工物,不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染,因而是一种节能环保焊接措施。由于超声波发生器是功率电子线路，易于实现电气控制,能较好地与计算机配合进行焊接控制,从而达到高精度的焊接，并且易于实现焊接的信息化和自动化。1.2超声波金属焊接的局限性把超声波应用于金属材料焊接中,虽然可以得到较好的焊接效果,但是超声波发生器和声学系统与机械系统相结合的整个系统,其稳定性、可操作性、可靠性等方面还存在问题。因此声学系统（换能器、变幅杆、连
8、接部分)的设计,以及声学系统与试件的连接方式等,都是十分核心的问题。对金属超声波焊接机理的结识局限性。超声金属焊接与否无金属熔化,仅仅是一种固相焊接措施,或者说是金属间的“键和”过程，尚有待进一步研究。超声波金属焊接影响工艺参数因素较多，不易进行总结。由于焊接所需的功率随工件厚度及硬度的提高而呈指数增长，而大功率超声波焊机的制造困难,且成本很高。随着焊接功率的进一步提高，不仅在声学系统的设计及制造方面将会面临一系列较难解决的问题,并且未必能获得预期的工艺效果。因此目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件。超声波焊机的“开敞性”比较差，工件的伸入尺寸也不能超过焊接系统所容许的范畴。接头形式目前只限于搭接
9、接头。焊点表面容易出高频机械振动而引起边沿的疲劳破坏,对焊接硬而脆的材料不利。目前来讲,对超声波焊接的焊接质量的检测还是比较难做的,无损检测设备还没有普及，常用措施无法用来监控，这也给大批量生产导致一定困难。1.3影响超声波金属焊接质量的重要因素（)振幅:振幅对于需要焊接的材料来说是一种核心参数9,不同的换能器输出的振幅也不同，同一换能器也可以通过配备不同的变幅杆及焊头来变化焊头的工作振幅,以满足对不同材料的焊接规定。一般的换能器的输出振幅为520滋m,而工作振幅一般为030滋m左右,工作振幅同换能器输出振幅变幅杆及焊头的形状，前背面积比等因素有关。(2)频率:任何的超声波焊接机均有一种中心频
10、率，例如20、40kz等,焊接机的工作频率重要由超声波换能器(Trnsduer)、超声波变幅杆(ostr)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定。超声波发生器的频率根据机械共振频率调节,以达到一致，使焊头工作在谐振状态,每一种部分都设计成一种半波长的整数倍谐振体。超声波发生器及机械共振频率均有一种谐振工作范畴。以2kHz为例，谐振工作范畴一般设定为(20依0.）kHz，在此范畴内焊接机基本都可以正常工作。制作每一种焊头时都会对谐振频率做调节,规定做到谐振频率与设计频率误差不不小于.H。目前超声波金属焊接所用的频率一般为20Hz，事实上焊头的频率一般会控制在190201kH,误差不不小于5。(
11、3)节点：焊头、超声波变幅杆均被设计为一种工作频率的半波长谐振体,在工作状态下,两个端面的振幅最大,应力最小，而相称于中间位置的节点振幅为零,应力最大。节点位置一般设计为固定位，但一般的固定位设计时厚度要不小于3mm，或者是凹槽固定，因此固定位并不一定为零振幅，这样就会引起某些叫声和一部分的能量损失，对于叫声一般用橡胶圈同其他部件隔离,或采用降振构造设计进行屏蔽,能量损失在设计振幅参数时应充足考虑。橡胶圈被称为软固定,降振构造设计一般被称为硬固定。在超声波金属焊接里，一般会采用硬固定构造,硬固定构造尚有端面固定模式。(）网纹:超声波金属焊接一般会在焊接位表面,底座表面设计网纹，网纹设计的目地在
12、于避免金属件的滑动,尽量将能量传递到焊接位。网纹设计一般有方形、菱形、条形网纹，网纹的大小与深浅根据具体的焊接材料规定来拟定。(5)电源:金属焊接装置使用的超声波电源和供塑料焊接装置使用的超声波电源没有很大的区别。特殊性在于焊接金属具有更高的规定，为了满足金属焊接的需要，必需使用智能化的超声波电源-超声波发生器。超声波发生器具有频率自动跟踪系统,在焊接过程中负载变化及温升发生变化会引起振动系统谐振频率的变化，因此，规定超声波发生器要跟踪振动系统的频率，使发生器和振动系统之间始终处在谐振状态，频率自动跟踪系统可以补偿在焊接过程中浮现的工作状态变化,使系统重新处15HtWrkingchnology
13、,Vol.44,No.于谐振状态并保正焊接参数的稳定，重点是振幅的稳定,这对于金属焊接具有非常重要的意义。（6)换能器：供金属超声波焊接装置使用的换能器和供塑料超声波焊接装置使用的换能器没有很大的区别,特殊性在于焊接金属材料具有更高的质量规定,由于在焊接金属材料时往往需要很大的瞬间功率,规定换能器有高的功率容量和低的阻抗,因此用于塑料超声波焊接装置的小功率换能器不能用于金属的超声波焊接。2国内外研究现状国内研究现状国内对超声波金属焊接工艺的研究重要集中在超声波点焊的实验研究方面。许多学者对超声波焊接能否达到金属熔点形成一致见解：超声波焊接是固相连接，只能达到金属熔点的3%。而华南理工大学机械工
14、程学院的杨圣文和汤勇在铜片和铜管超声波焊接实验基本上研究超声波焊接机理，她们通过SEM图来观测金属微观组织和能量角度分析。最后得出结论：觉得铜片与铜管的超声波焊接过程更也许是一种基于焊接区域纯洁金属充足贴合和微齿表面局部高温而熔化基本之上的金属键合、机械嵌合等作用的物理冶金过程。觉得超声波焊接也许使金属熔化,或至少达到金属熔点的0%，从而实钞票属的冶金焊接。江苏大学材料科学与工程学院张青来和王粒粒研究了表面状态、焊接材料厚度等因素对AB镁合金薄带超声波焊接性能的影响,觉得由于超声波金属焊接对焊接件表面破碎及清理作用,表面状态对镁合金薄带的焊接强度影响较小,且实验表白中间层材料的选择对镁合金超声
15、波焊接有一定影响,还觉得焊接区域的温度升高与焊接材料厚度成反比。华南理工大学机械工程学院张铱洪和马传艺基于铜铝材料性能分析，推导出焊接区域理论温度,并结合实测温度与焊接区域扫描电镜图片探讨了铝片-铜管太阳能集热板超声波金属焊接机理,觉得超声波焊接接头的形成是材料自身塑性、施加压力以及摩擦升温共同作用的成果。王军和贺占蜀通过对铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接的金相组织、扫描电镜(SM）和能谱分析，得出4个重要机理。巨大的塑性变形和机械嵌合引起位错和空位密度的增大，直接导致扩散限度的加深,而扩散和机械嵌合又可以大大提高金属“键合”的也许性,金属“键合”则直接导致这2种材料结合为一体。因此，材料塑性变形、机械嵌合、金属“键合”以及原子扩散共同影响着Cu,l超声波焊接的质量。国内研究者还对金属导
