您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
超聲波焊接工藝特點(diǎn)總結(jié)
閱讀：2766 發(fā)布時(shí)間：2021-7-16
超聲波焊接的焊點(diǎn)，應(yīng)有高的接合強(qiáng)度和合格的表面質(zhì)量,，除了表面不能有明顯的擠壓坑和焊點(diǎn)邊緣的凸出以外,，還應(yīng)注意與上聲極接觸處的焊點(diǎn)表面情況,，不允許有裂紋和局部未熔合，因此,，超聲波焊接的形式選擇,、接頭設(shè)計(jì)和焊接參數(shù)選擇非常重要。
一,、超聲波焊接特點(diǎn)
1)可焊接的材料范圍廣,，可用于同種金屬材料、特別是高導(dǎo)電,、高導(dǎo)熱性的材料（如金,、銀、銅,、鋁等）和一些難熔金屬的焊接,，也可用于性能相差懸殊的異種金屬材料（如導(dǎo)熱、硬度,、熔點(diǎn)等）,、金屬與非金屬、塑料等材料的焊接,，還可以實(shí)現(xiàn)厚度相差懸殊以及多層箔片等特殊結(jié)構(gòu)的焊接,。
2)焊件不通電，不需要外加熱源,，接頭中不出現(xiàn)宏觀的氣孔等缺陷,，不生成脆性金屬間化合物，不發(fā)生像電阻焊時(shí)易出現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等問題,。
3)焊縫金屬的物理和力學(xué)性能不發(fā)生宏觀變化,，其焊接接頭的靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都比電阻焊接頭的強(qiáng)度高，且穩(wěn)定性好,。
4)被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小,，焊前對焊件表面準(zhǔn)備工作比較簡單。
5)形成接頭所需電能少,，僅為電阻焊的5％,；焊件變形小。
6)不需要添加任何粘結(jié)劑,、填料或溶劑,，具有操作簡便、焊接速度快,、接頭強(qiáng)度高,、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。超聲波焊接的主要缺點(diǎn)是受現(xiàn)有設(shè)備功率的限制，因而與上聲極接觸的焊件厚度不能太厚,，接頭形式只能采用搭接接頭,，對接接頭還無法應(yīng)用。
二,、超聲波焊接的分類
超聲波焊接分類按照超聲波彈性振動(dòng)能量傳入焊件的方向,，超聲波焊接的基本類型可以分為兩類：一類是振動(dòng)能量由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面產(chǎn)生相對摩擦，這種方法適用于金屬材料的焊接,；另一類是振動(dòng)能量由垂直于焊件表面的方向傳入焊件,，主要是用于塑料的焊接。常見的金屬超聲波焊接可分為點(diǎn)焊,、環(huán)焊,、縫焊及線焊；近年來,，雙振動(dòng)系統(tǒng)的焊接和超聲波對焊也有一定的應(yīng)用,。
（1）點(diǎn)焊點(diǎn)焊是應(yīng)用*的一種焊接形式,，根據(jù)振動(dòng)能量的傳遞方式,，可以分為單側(cè)式、平行兩側(cè)式和垂直兩側(cè)式,。振動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)上聲極的振動(dòng)方向也可以分為縱向振動(dòng)系統(tǒng),、彎曲振動(dòng)系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲振動(dòng)系統(tǒng)。功率500W以下的小功率焊機(jī)多采用輕型結(jié)構(gòu)的縱向振動(dòng),；千瓦以上的大功率焊機(jī)多采用重型結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)系統(tǒng),；而輕型彎曲振動(dòng)系統(tǒng)適用于中小功率焊機(jī)，它兼有上述兩種振動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),。
?。?）環(huán)焊環(huán)焊方法如圖5所示，主要用于一次成形的封閉形焊縫,，能量傳遞采用的是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng),。焊接時(shí),，耦合桿4帶動(dòng)上聲極5作扭轉(zhuǎn)振動(dòng),，振幅相對于聲極軸線呈對稱分布，軸心區(qū)振幅為零,，邊緣位置振幅最大,。該類焊接方法于微電子器件的封裝工藝，有時(shí)環(huán)焊也用于對氣密性要求特別高的直線焊縫的場合,，用來代替縫焊,。由于環(huán)焊的一次焊縫的面積較大，需要有較大的功率輸入,，因此常常采用多個(gè)換能器的反向同步驅(qū)動(dòng)方式,。
?。?）縫焊與電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實(shí)質(zhì)上是由局部相互重疊的焊點(diǎn)形成一條連續(xù)焊縫,?？p焊機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)按其滾輪振動(dòng)狀態(tài)可分為縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種形式（圖6）,。其中最常見的是縱向振動(dòng)形式,，只是滾輪的尺寸受到驅(qū)動(dòng)功率的限制?？p焊可以獲得密封的連續(xù)焊縫,，通常焊件被夾持在上下滾輪之間，在特殊情況下可采用平板式下聲極,。
?。?）線焊它是點(diǎn)焊方法的一種延伸，利用線狀上聲極,，在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)形成一條狹窄的直線狀焊縫,，聲極長度就是焊縫的長度，現(xiàn)在可以達(dá)到150mm,，這種方法于金屬薄箔的封口,。
（5）雙超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的點(diǎn)焊：上下兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的頻率分別為27kHz和20kHz（或15kHz）,，上下振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)方向相互垂直,，焊接時(shí)二者作直交振動(dòng)。當(dāng)上下振動(dòng)系統(tǒng)的電源各為3kW時(shí),，可焊鋁件的厚度達(dá)10mm,，焊點(diǎn)強(qiáng)度達(dá)到材料本身的強(qiáng)度。雙超聲波振動(dòng)系統(tǒng)多用于集成電路和晶體管細(xì)導(dǎo)線的焊接,，雖然焊接方法與點(diǎn)焊基本相同,，但焊接設(shè)備復(fù)雜，要求設(shè)備的控制精度高,，以便實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的高質(zhì)量和高可靠性焊接,。
（6）超聲波對焊超聲波對焊主要用于金屬的對接,，是近年來開發(fā)的一種新方法,。焊接設(shè)備由上、下振動(dòng)系統(tǒng),、提供接觸壓力的液壓源和焊件夾持裝置等部分組成,。左邊焊件的一端由夾具固定，另一端夾在上、下振動(dòng)系統(tǒng)之間作超聲振動(dòng),；右焊件端面與左端面對接,，并由夾具夾緊，接觸壓力加在右側(cè)焊件上,。焊接時(shí),，在超聲振動(dòng)的作用下即可把兩個(gè)焊件在端面焊接在一起。應(yīng)注意,，焊接裝置的上,、下振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)相位必須相反，上振動(dòng)系統(tǒng)可以是無源的,。采用頻率為27kHz的該類焊接裝置可以焊接6～10mm厚的鋁板,、6mm厚的銅板和鋁板的焊接。目前可以實(shí)現(xiàn)6mm厚,、100～400mm寬鋁板的對接,。
三、超聲波焊接頭設(shè)計(jì)
1．焊點(diǎn)設(shè)計(jì)超聲波焊接時(shí),，要求焊點(diǎn)強(qiáng)度必須達(dá)到一定的要求,，需要設(shè)計(jì)出一種合理的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要保持外形盡可能美觀,。焊點(diǎn)分布如圖10所示,，對焊點(diǎn)與板材邊緣的距離沒有限制，可以沿邊緣布置焊點(diǎn),，焊點(diǎn)之間的距離可以任意選定,，可以重疊和重復(fù)焊接（修補(bǔ)），每行之間的距離也可以根據(jù)需要任選,，不存在電阻點(diǎn)焊時(shí)的分流問題,。
2．焊接界面設(shè)計(jì)為了在焊接過程中使能量集中，縮短焊接時(shí)間,，提高焊接質(zhì)量,，焊接界面的設(shè)計(jì)非常重要，主要有以下幾種形式,。（2）臺階式界面為了提高焊接力,，可設(shè)計(jì)成圖12所示的臺階式焊接界面（W為板寬），三角形凸緣可以使凸緣材料熔化之后流入預(yù)留的孔隙,，能產(chǎn)生較大的切應(yīng)力及拉力強(qiáng)度,，這種設(shè)計(jì)還可以避免外表面上產(chǎn)生的焊接痕跡。（3）凹凸插接式界面,，待焊材料設(shè)計(jì)成帶有三角形凸緣的凹凸形式，兩焊件之間應(yīng)留有間隙，凸形焊件壁應(yīng)有一定的斜度,，以便塑料件容易拼合,，同時(shí)讓熔融的材料有流動(dòng)的空間，不致溢出外面,。在超聲波焊的接頭設(shè)計(jì)中應(yīng)注意控制焊件的諧振問題,。當(dāng)上聲極向焊件引入超聲振動(dòng)時(shí)，如果焊件沿振動(dòng)方向的自振頻率與引入的超聲振動(dòng)頻率相等或相近,，就有可能引起焊件的諧振,，其結(jié)果往往造成已焊焊點(diǎn)的脫落，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致焊件的疲勞斷裂,。解決上述問題的簡單方法就是改變焊件與聲學(xué)系統(tǒng)振動(dòng)方向的相對位置,，或者改變焊件的自振頻率。
四,、超聲波焊接參數(shù)選擇超聲波焊的主要參數(shù)有振動(dòng)頻率?
振幅A,、靜壓力F及焊接時(shí)間t，此外還應(yīng)考慮超聲波功率的選擇以及各參數(shù)之間的相互影響,。在超聲波焊接中,，點(diǎn)焊應(yīng)用得，下面以點(diǎn)焊為例討論各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響,。
1．超聲波振動(dòng)頻率?振動(dòng)頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度,。振動(dòng)頻率一般在15～75kHz之間。頻率的選擇應(yīng)考慮被焊材料的物理性能和厚度,，焊件較薄的選用比較高的振動(dòng)頻率,；焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強(qiáng)度較低時(shí)選用較低的振動(dòng)頻率,。這是由于在維持聲功能不變的前提下,，提高振動(dòng)頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應(yīng)力引起的疲勞破壞,。振動(dòng)頻度對焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度有影響,，材料越硬、厚度越大時(shí),，頻率的影響越明顯,。應(yīng)注意，隨著頻率的提高,，高頻振蕩能量在聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗將增大,，因此大功率超聲波點(diǎn)焊機(jī)的頻率比較低，一般在15～20kHz范圍內(nèi),。振動(dòng)頻率的精度是保證焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素,，由于超聲波焊接過程中機(jī)械負(fù)荷的多變性,，會出現(xiàn)隨機(jī)的失諧現(xiàn)象，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定,。
2．振幅A振幅是超聲波焊接工藝中基本的參數(shù)之一,，它決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到焊接面氧化膜的去除,、接合面的摩擦產(chǎn)熱,、塑性變形區(qū)域的大小及塑性流動(dòng)層的狀況等。因此,，根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度正確選擇振幅的數(shù)值是獲得高可靠接頭的前提,。振幅的選用范圍一般為5～25μm，小功率超聲波焊機(jī)一般具有高的振動(dòng)頻率,，但振幅范圍較低,。低硬度的焊接材料或較薄的焊件應(yīng)選用較低的振幅；隨著材料硬度及厚度的提高,，所選用的振幅也應(yīng)相應(yīng)提高,。這是因?yàn)檎穹拇笮?yīng)著焊件接觸表面相對移動(dòng)速度的大小，而焊接區(qū)的溫度,、塑性流動(dòng)以及摩擦功的大小又由該相對移動(dòng)速度所確定,。對于具體的焊件，存在一個(gè)合適的振幅范圍,。圖15為鋁鎂合金在不同振幅值下焊點(diǎn)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,。當(dāng)振幅A為17μm時(shí)，焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度最大,，振幅減小,，強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)振幅小于6μm時(shí),，已經(jīng)不能形成接頭,，即使增加振動(dòng)作用的時(shí)間也無效果。這是因?yàn)檎穹颠^小,，焊件間相對移動(dòng)速度過小所致,。當(dāng)振幅值超過17μm時(shí)，焊點(diǎn)強(qiáng)度反而下降,，這主要與金屬材料內(nèi)部及表面的疲勞破壞有關(guān),，因此振幅過大，由上聲極傳遞到焊件的振動(dòng)剪力超過了它們之間的摩擦力,，聲極與工件之間發(fā)生相對的滑動(dòng)摩擦,，并產(chǎn)生大量的熱和塑性變形，導(dǎo)致上聲極嵌入焊件,，使有效接合截面減少所致,。超聲波焊機(jī)的換能器材料和聚能器結(jié)構(gòu)決定了焊機(jī)振幅的大小,，當(dāng)它們確定以后，要改變振幅,，一般是通過調(diào)節(jié)起聲波發(fā)生器的電參數(shù)來實(shí)現(xiàn),。此外,，振幅值的選擇與其他參數(shù)有關(guān),，應(yīng)綜合考慮。必須指出,，在合適的振幅范圍內(nèi),，采用偏大的振幅可大大縮短焊接時(shí)間，提高焊接生產(chǎn)效率,。
3．靜壓力F靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動(dòng)有效地傳遞給焊件,，超聲波焊接時(shí)所需靜壓力的大小根據(jù)材料類型的不同而異。靜壓力與焊點(diǎn)抗剪力之間的關(guān)系如圖16所示,。當(dāng)靜壓力過低時(shí),，由于超聲波幾乎沒有被傳遞到焊件，不足以在兩焊件界面產(chǎn)生一定的摩擦功,，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動(dòng)方面,，因此不可能形成有效的連接。隨著靜壓力的增加,，改善了振動(dòng)的傳遞條件,，使焊區(qū)溫度升高，材料的變形抗力下降,，塑性流動(dòng)的程度逐漸加?。涣硗?，由于壓應(yīng)力的增加,，接觸處塑性變形的面積及連接面積增加，因而接頭的強(qiáng)度增加,。當(dāng)靜壓力達(dá)到一定數(shù)值后再增加壓力,，接頭強(qiáng)度不再提高或反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)靜壓力過大時(shí),，振動(dòng)能量不能合理地利用,，使摩擦力過大，造成焊件間的相對摩擦運(yùn)動(dòng)減弱,，甚至?xí)拐穹涤兴档?，?dǎo)致了焊件間的連接面積不再增加或有所減小，加之材料壓潰造成接頭的實(shí)際接合截面減少,，使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低,。在其他焊接條件不變的情況下,，選用偏高的靜壓力，可以在較短的焊接時(shí)間內(nèi)得到同樣強(qiáng)度的焊點(diǎn),，這是因?yàn)槠叩撵o壓力能在振動(dòng)早期較低的溫度下產(chǎn)生塑性變形所致,。同時(shí)，選用偏高的靜壓力,，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高的溫度,，縮短了焊接時(shí)間。
4．焊接時(shí)間t焊接時(shí)間對接頭質(zhì)量有很大影響,，焊接時(shí)間太短時(shí),，表面的氧化膜來不及被破壞，只形成幾個(gè)凸點(diǎn)間的接觸,，則接頭強(qiáng)度過低,，甚至不能形成接頭。隨著焊接時(shí)間的延長,，焊點(diǎn)強(qiáng)度迅速提高,，在一定的焊接時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度值不降低。但當(dāng)超聲波焊接時(shí)間超過一定值以后,，焊點(diǎn)強(qiáng)度反而下降,，這是由于焊件的熱輸入量過大，塑性區(qū)擴(kuò)大,，上聲極陷入焊件,，除了降低焊點(diǎn)的截面積以外，還容易引起焊點(diǎn)表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋,。從圖17中還可以看出,，對于不同的靜壓力，獲得接頭最佳強(qiáng)度所需的焊接時(shí)間不同,，增大靜壓力的數(shù)值,，可在某種程度上縮短焊接時(shí)間。
5．焊接功率P超聲波焊接時(shí),，功率的選擇主要取決于焊件的厚度和材料的硬度,，由于在實(shí)際應(yīng)用中超聲波功率的測量尚有困難，因此常常用振幅來表示功率的大小,，超聲波功率與振幅的關(guān)系可由下式確定：P＝μSFυ＝μSF2Aω/π＝4μSFA?（1）式中P——超聲波功率,；F——靜壓力；S——焊點(diǎn)面積,；υ——相對速度,；A——振幅；μ——摩擦系數(shù),；ω——角頻率（ω＝2π?）,；?——振動(dòng)頻率,。超聲波焊接時(shí)，振幅的選取范圍為5～25μm,，當(dāng)換能器材料,、結(jié)構(gòu)及其功率選定后，振幅值大小還與聚能器的放大系數(shù)有關(guān),。通常在確定上述各種焊接參數(shù)的相互影響時(shí),，可以通過繪制臨界曲線的方法來達(dá)到，圖18為靜壓力與功率的臨界關(guān)系曲線,。一般選用最小可用功率時(shí)的靜壓力和比最小可用功率稍高一點(diǎn)的功率值進(jìn)行實(shí)際焊接,。上述幾個(gè)焊接參數(shù)之間并不是孤立的,，而是相互影響,、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮,。例如,，塑料的超聲波焊接時(shí)，接頭質(zhì)量的好壞取決于換能器的振幅,、靜壓力及焊接時(shí)間等因素的相互配合,。焊接時(shí)間t和焊頭靜壓力F是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定,，這三個(gè)量相互有*值,。焊接能量超過合適值時(shí)，材料的熔解量大,，產(chǎn)生較大的變形,。若焊接能量太小，則不易焊牢,。除了焊接參數(shù)以外,，上聲極材料、形狀尺寸及其表面狀態(tài)等因素也對焊接質(zhì)量有影響,。