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超声波金属焊接原理

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作者:李工来源:深圳超声波焊接机网网址:http://www.20khz.cn

超声波振动可用于焊接金属和塑料,超声波焊接工艺的固态特性以及其他优点已经在电子,汽车,航空航天,器具和医疗行业中得到广泛应用,超声波焊接设备的使用扩展到更多工业领域。
1、焊接原理
在超声波焊接中,超声波振动在两个表面之间产生摩擦状的相对运动,两个表面在压力下保持在一起,运动局部表面粗糙变形,从而让金属与金属表面接触结合。

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2、主要类型
横向驱动系统
超声波焊接有两种主要类型的系统,第一种是横向驱动系统,包括超声换能器,增强器和超声波发生器。电源为传感器提供高频电源,在传感器末端产生高频机械振动,工作频率为20kHz,振动通过增压器部分传递,增压器可设计成放大振动,然后传递到超声波发生器,然后将振动传递给工件。
接头中的两个薄金属片通过静力牢固地夹在砧座之间,顶部工件通过超声波发生器表面上的滚花图案夹紧,底部工件夹紧在砧座上。超声波振动平行于工件表面,在工件之间产生相对摩擦状的运动,引起变形焊接。

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楔形焊接
第二种类型的超声波焊接系统也叫楔形焊接,系统的关键元件是基于压电的传感器、驱动增强器,楔子将垂直杆驱动成弯曲振动,簧片末端的振动通过簧片上的超声波发生器传递到工件上,工件布置类似于横向驱动系统,通过静力夹在超声波发生器之间,虽然在楔形簧片中产生振动的方式与横向驱动不同,但结果是相同的,超声波发生器的振动运动平行于工件表面,在工件上产生相对摩擦状的运动。
两个系统在塑性焊接区域中产生相同的效果,发生固态粘合,没有熔化材料,超声波焊接系统类似于点焊设备,在部件的小区域上产生粘合,还可通过在工件上连续地滚动产生超声波缝焊,其他类型的超声波粘合系统包括扭转振动和超声波微结合,在电子工业中广泛使用,将细线连接到电路和微芯片,焊缝的尺寸在0.15mm的量级。

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3、影响焊接的参数
许多参数会影响超声波焊接过程,例如超声频率,振动幅度,静力,功率,能量,时间,材料,零件形状和焊接配件。超声波焊接传感器设计用于15至300kHz的特定频率,适用于不同的系统和应用。金属焊接系统的工作频率为20至40kHz,常见的频率为20kHz。

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焊接头的振动幅度与输送到焊缝的能量直接相关,超声波振动幅度在焊缝处非常小,10-50微米,很少超过100微米,在一些焊接系统中,振幅是因变量,与应用于系统的功率有关,幅度是能够通过反馈控制系统在电源处设置和控制。


当焊接振动开始时,通过焊接工件表面之间产生紧密接触,力的大小从几十到几千牛,例如在铝中产生40mm2的焊缝可用1500N的力,而在0.5mm厚的软铜板中的可能仅需要400N。

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材料组合的类型,性质,包括模量,屈服强度和硬度,也是一个关键因素。一般来说,铝,铜,镍,镁,金,银和铂等软合金用超声波焊接,较硬的合金,如钛,铁和钢,以及镍基航空航天合金和难熔金属很难使用。材料表面特性包括表面处理,氧化物,涂层和污染物也要注意。

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焊接部件的形状起着重要作用,主要因素是部件厚度,一般而言,薄部件更有可能实现成功的超声波焊接,增加部件厚度,特别是接触焊接尖端的部件,需要更大的焊接尖端面积,更大的静态力和高焊接功率。

4、应用
超声波焊接的应用可在电气电子,汽车,航空航天,家用电器和医疗行业中使用,目前这些行业中广泛应用涉及铜,铝,镁和相关较软金属的合金,包括金和银。
5、发展趋势
使用超声波焊接的未来趋势是结构汽车和航空航天应用,连接薄规格铝板和其他轻质金属,直升机和飞机上的闭合面板已经得到可行性实施。一些工业和大学实验室进行研究,可以使用这种焊接工艺,除了常见的搭接接头之外,在接头配置方面取得一些进展。最近出现的超声波焊接应用是增材制造,薄金属带通过散布加工操作焊接在一起,生产实心金属部件,应用可能在快速原型制作领域有特殊用途。
6、优点
适用于Al,Cu和其他高导热性材料,这些材料难以通过熔合工艺连接,是一种不熔化材料的固态工艺,适合许多不同材料的组合,没有填充金属或气体的焊缝,快速,自动化。
7、缺点
焊接厚度有限,对高强度,高硬度材料比较难,受到工具下材料变形的影响,可能会因部分共振而产生噪音,行业应用缺乏高端技术人员。



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