特種焊接技術(shù)超聲波焊..ppt

1、第六單元 超聲波焊,6.1 超聲波焊概述 6.2 超聲波焊的工藝設備 6.3 典型材料的超聲波焊,綜合知識模塊,6.1 超聲波焊概述,超聲波焊接（ultrasonic welding，USW )是兩焊件在壓力作用下，利用超聲波的高頻振蕩，使焊件接觸表面產(chǎn)生強烈的摩擦作用，以清除表面氧化物并加熱焊件而實現(xiàn)焊接的一種固態(tài)焊接方法。,6.1 超聲波焊概述,6.1.1 超聲波焊基本原理 6.1.2 超聲波焊的種類 6.1.3 超聲波的特點及應用,6.1.1 超聲波焊基本原理,一、基本原理 二、接頭形成過程,一、基本原理,超聲波焊原理示意圖 1-發(fā)生器 2-換能器 3-聚能器 4-耦合桿 5-上聲極 6

2、-焊件 7-下聲極 A-振幅分布 I-超聲波振蕩電流 F-靜壓力 V1-縱向振動方向 V2-彎曲振動方向,1560kHz,利用逆壓電效應將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機械振動能,用來放大振幅并耦合負載,超聲波焊接中能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程示意圖,二、接頭形成過程,1振動摩擦階段 超聲波焊初期，由于上聲極的超聲振動，使其與上焊件之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時的連接，然后通過它們直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點之間的摩擦逐漸擴大到面摩擦，同時破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其他附著物。,二、接頭形成過程,2溫度升高階段 接觸表面溫度升高，當焊合區(qū)的溫度約為金屬熔點的3550%時

3、，變形抗力下降; 在靜壓力和彈性機械振動引起的交變切應力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動不斷進行; 使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入到被焊材料內(nèi)部，促使純金屬表面的原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，出現(xiàn)原子擴散及相互結(jié)合，形成共同的晶?；虺霈F(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。,二、接頭形成過程,3固相接合階段 隨著摩擦過程的進行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內(nèi)甚至形成渦流狀的塑性流動層，導致焊件表面之間的機械咬合; 引起了物理冶金反應，在結(jié)合面上產(chǎn)生聯(lián)生晶粒，出現(xiàn)再結(jié)晶、擴散、相變及金屬間的鍵合等冶金現(xiàn)象，形成牢固的接頭。,超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層,6.1.2 超

4、聲波焊的種類,根據(jù)超聲波彈性振動能量傳入焊件的方向，可分成兩類： 一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面之間產(chǎn)生相對摩擦用于金屬材料的焊接 ; 另一類是振動能由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要用于塑料的焊接。 超聲波焊接的接頭必須是搭接接頭，根據(jù)接頭焊縫的形式，金屬超聲波焊可分為點焊、縫焊、環(huán)焊和線焊等幾種類型。,超聲波焊的兩種類型 a）切向傳遞 b）垂直傳遞 V-振動方向 F-靜壓力 1-聚能器 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極,1. 點焊,焊接時焊件在圓柱狀的上下聲極壓緊下實施焊接的，每次完成一個焊點。 按能量傳遞方式分，點焊可分為單側(cè)式和雙側(cè)式 。 按振動系統(tǒng)分，點焊可采用縱向振

5、動系統(tǒng)、彎曲振動系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲振動系統(tǒng)。,超聲波點焊示意圖 1-靜壓力 2-上聲極 3-焊件 4-下聲極 V-振動方向,2. 環(huán)焊,用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。 焊縫一般是圓環(huán)形的，也可以是正方形、矩形或橢圓形的。 上聲極的表面按所需要的焊縫形狀制成。,超聲波環(huán)焊示意圖 1-換能器 2、3-聚能器 4-耦合桿 5-上聲極 6-焊件 7-下聲極 F-靜壓力 V-振動方向,3縫焊,焊件夾持在圓盤狀上、下聲極之間，連續(xù)焊接獲得局部相互重疊的焊點，從而形成一條連續(xù)焊縫 。 根據(jù)圓盤狀聲極的振動狀態(tài)，超聲波縫焊可分為縱向振動、彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動三種形式。,4線

6、焊,線焊是利用線狀上聲極或?qū)⒍鄠€點焊聲極疊合在一起，在一個焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫，也可以看成是點焊的一種延伸。,超聲波線焊示意圖 1-換能器 2-聚能器 3-焊接聲極頭（長125mm） 4-心軸 V-振動方向 F-靜壓力,6.1.3 超聲波的特點及應用,一、超聲波焊的特點 二、超聲波焊的應用范圍,一、超聲波焊的特點,1可焊材料范圍廣 2特別適用于金屬箔片、細絲以及微型器件的焊接 3焊件不熔化，焊接溫度相對較低，焊件變形小 4被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小 5與電阻點焊比較，耗電功率小 6操作簡便、焊接速度快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,可以焊接厚薄相差懸殊焊件,7.目前僅限于焊接絲、箔、

7、片等細薄件，且只限于搭接接頭形式。 8.焊點表面容易因高頻機械振動而引起邊緣的疲勞破壞，對焊接硬而脆的材料不利。 9.缺乏精確的無損檢測方法和設備，因此超聲波焊接質(zhì)量目前難以進行在線準確檢驗，在實際生產(chǎn)中還難以實現(xiàn)大批量機械化生產(chǎn)。,二、超聲波焊的應用范圍,1電子工業(yè) 2電器工業(yè) 3包裝工業(yè) 4航空航天及核能工業(yè) 5塑料工業(yè) 6其他應用,6.2 超聲波焊的工藝設備,6.2.1 超聲波焊的工藝 6.2.2 超聲波焊設備,6.2.1 超聲波焊的工藝,一、接頭設計 二、焊件表面準備 三、上聲極的選用 四、焊接參數(shù)的選擇,一、接頭設計,1邊距e 2點距s 3行距r,二、焊件表面準備,超聲波焊時，對焊件

8、表面不需進行嚴格清理，因為超聲振動本身對焊件表面層有破碎清理作用。 焊件表面被嚴重氧化或已有銹蝕層，焊前仍需清理，通常采用機械磨削或化學腐蝕方法清除。,三、上聲極的選用,上聲極所用的材料、端面形狀和表面狀況等會影響到焊點的強度和穩(wěn)定性。 焊接鋁、銅、銀等較軟金屬的聲極材料較多采用高速鋼、滾珠軸承鋼； 焊接鈦、鋯、高強度鋼及耐磨合金常采用沉淀硬化型鎳基超級合金等作為上聲極。,四、焊接參數(shù)的選擇,1. 焊接功率,超聲波焊接功率隨焊件厚度和硬度的增加而增加。,2. 振動頻率,諧振頻率的選擇以焊件的厚度及物理性能為依據(jù)，一般控制在1575 kHz之間。,薄件焊接時，宜選用較高的諧振頻率，因為在維持機械

9、能不變的前提下，提高振動頻率就可以相應降低振幅，從而減輕薄件因交變應力而可能引起的疲勞破壞。 焊接厚件時或焊接硬度及屈服強度都比較低的材料時，宜選用較低的振動頻率。,3振幅,振幅是超聲波焊接工藝的主要焊接參數(shù)之一，它決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到材料表面氧化膜的清除效果、塑性流動的狀態(tài)以及結(jié)合面的加熱溫度等，因此根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度來正確選擇振幅值是獲得良好接頭質(zhì)量的保證。,4. 靜壓力,靜壓力是直接影響功率輸出及焊件變形條件的重要因素。靜壓力的選用取決于材料的厚度、硬度、接頭形式和使用的超聲波功率。,5. 焊接時間,焊接時間是指超聲波能量輸入焊件的時間。 焊接時間的選擇隨材料性質(zhì)、厚度及

10、其他焊接參數(shù)而定，高功率和短時間的焊接效果通常優(yōu)于低功率和較長時間的焊接效果。 上述幾個焊接參數(shù)之間并不是孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應統(tǒng)籌考慮。,6.2.2 超聲波焊設備,一、超聲波焊接設備的組成 二、部分國產(chǎn)超聲波點焊機的型號及技術(shù)參數(shù),一、超聲波焊接設備的組成,1超聲波發(fā)生器,超聲波發(fā)生器是用來將工頻（50Hz）電流變換成1560kHz的振蕩電流，并通過輸出變壓器與換能器相匹配。 超聲波發(fā)生器必須與聲學系統(tǒng)相匹配才能使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，獲得高效率的輸出功率。,2聲學系統(tǒng),聲學系統(tǒng)由換能器、聚能器、耦合桿和聲極組成。 1）換能器 2）聚能器 3）耦合桿 4）聲極,3. 加壓機構(gòu),向焊接

11、部位施加靜壓力的加壓機構(gòu)主要有液壓、氣壓、電磁加壓和自重加壓等。 大功率超聲波焊機多采用液壓方式，沖擊力??；小功率超聲波焊機多用電磁加壓或自重加壓方式，這種方式可以匹配較快的控制程序。,4. 程序控制器,二、部分國產(chǎn)超聲波點焊機的型號及技術(shù)參數(shù),6.3 典型材料的超聲波焊,超聲波焊屬于固相焊接，目前主要用于小型薄件的焊接，焊接質(zhì)量可靠，經(jīng)濟性較好。超聲波焊不僅可以焊接鋁、銅、金等較軟的金屬材料，也可用于鋼鐵材料、鎢、鈦、鉬等金屬的焊接，物理性質(zhì)相差懸殊的異種金屬，甚至金屬與半導體、金屬與陶瓷等非金屬以及塑料等異種材料均可以采用超聲波焊。,6.3 典型材料的超聲波焊,6.3.1 同種材料的超聲波

12、焊 6.3.2 異種材料的超聲波焊,6.3.1 同種材料的超聲波焊,超聲波焊接金屬材料時，最常用的方法是點焊。 超聲波焊接易于實現(xiàn)同種金屬材料的可靠連接 。 利用超聲波焊接不同厚度的組合焊件時，超聲振動應從比較薄的焊件一方導入，焊接參數(shù)也是根據(jù)薄焊件的厚度來確定。,6.3.1 同種材料的超聲波焊,一、同種金屬材料的焊接 二、塑料的超聲波焊,一、同種金屬材料的焊接,1鋁及鋁合金的焊接 2銅及銅合金的焊接 3鈦及鈦合金的焊接 4高熔點材料的焊接,1鋁及鋁合金的焊接,鋁及鋁合金是應用超聲波焊最多，也是最能顯示出這種焊接方法優(yōu)越性的材料。 對于較低強度的鋁合金，超聲波點焊和電阻點焊或縫焊的接頭強度大致

13、相同。 超聲波焊接鋁及鋁合金的表面準備要求比其他任何一種焊接方法都低。正常情況下，鋁的表面一般進行脫脂處理。,2銅及銅合金的焊接,銅及銅合金的焊接性好，焊前需要對表面進行清洗，去除油污，焊接參數(shù)和設備選擇與鋁合金相似。,3鈦及鈦合金的焊接,鈦及鈦合金具有很好的焊接性，焊接參數(shù)選擇范圍比較寬。焊點經(jīng)顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，有時產(chǎn)生的相變，也有未經(jīng)相變的焊點組織，但均能獲得滿意的接頭強度。,4高熔點材料的焊接,對于金屬鉬、鎢等高熔點的材料，由于超聲波焊可避免接頭區(qū)的加熱脆化現(xiàn)象，從而可獲得高強度的焊點質(zhì)量。 高硬度金屬材料之間的超聲波焊接、或焊接性較差的金屬材料之間的焊接，可通過添加中間過渡層的方法實現(xiàn)

14、超聲波焊接。 對于多層金屬結(jié)構(gòu)，也可以采用超聲波焊。,二、塑料的超聲波焊,塑料焊接時，通常盡量將焊件的結(jié)合面置于諧振曲線的波節(jié)點上，以便在這里釋放出最高的局部熱量，以使材料受熱熔化達到焊接的目的。 塑料超聲波焊機一般由超聲波發(fā)生器、焊壓臺和焊具三大部分組成。,優(yōu)點,1焊接效率高，焊接時間不超過1s。 2焊前焊件表面可不處理，由于殘存在塑料零件上的水、油、粉末、溶液等不會影響正常焊接，因而特別適用于各類物品的封裝焊。 3焊接過程僅在焊合面上發(fā)生局部熔化，因而可避免污染工作環(huán)境，而且焊點美觀，不產(chǎn)生混濁物，可獲得全透明的焊接成品。,焊接結(jié)晶性塑料和軟質(zhì)塑料時，需要在離振頭較近的近場區(qū)焊接。超聲波焊主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和線材等，在焊接時不需加熱或添加任何溶劑和粘結(jié)劑。 塑料超聲波焊的焊接面預加工有一些特殊要求，在焊接面上，常設計帶有尖邊的超聲波導能筋 。,焊接模塑件時，超聲波導能筋的形式及其設計原則取決于被焊塑料的種類和模塑件的幾何形狀。,塑料超聲波焊的焊縫質(zhì)量主要與母材的焊接性、被焊焊件和焊縫的幾何形狀和公差范圍、超聲波振頭、焊接參數(shù)以及振頭壓入深度的調(diào)整和穩(wěn)定控制等因素有關(guān)。,6.