超声波的应用(技术知识)

金属超声波焊接的起源

超声波金属焊接英文注释:超声波金属焊接，超声波金属焊接是20世纪30年代偶然发现的。当时在进行电流点焊电极加超声波振动试验时，发现不用电流也能进行焊接，于是发展了超声波金属冷焊技术。超声波焊接虽然发现较早，但其机理至今尚不十分清楚。与摩擦焊相似，但不同之处在于超声波焊接时间很短，温度低于再结晶。它也不同于压力焊接，因为增加的静压比压力焊接小得多。一般认为，在超声波焊接过程的初始阶段，金属表面的氧化物发生切向振动，是表面粗糙的凸出部分反复微焊和破坏的过程，增加了接触面积，同时升高了焊接区的温度，导致焊件界面塑性变形。这样，在接触压力的作用下，当它们接近原子引力可以作用的距离时，就会形成焊点。如果焊接时间过长或超声波振幅过大，焊接强度会降低甚至破坏。

金属超声波焊接原理

金属的超声波焊接是利用每秒数万个高频振动波传递到两个待焊接的金属工件表面，然后施加一定的压力，使金属表面相互摩擦，形成分子层之间的融合，从而达到焊接的目的。其优点是速度快、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷加工。缺点是需要焊接的金属零件不能太厚(一般小于等于5毫米)，焊点不能太大，需要压力。

汽车线束超声波焊接机的工具头主要由焊头、砧连接块、砧顶块和聚合模块四部分组成。焊接时，焊丝垂直排列紧密并附着在砧座连接块上。脚踏开关打开后，聚合模块向砧顶块移动，同时砧连接块和砧顶块一起向下移动，紧急压住焊接区域的汽车线束，焊头产生振动，将能量传递给铜线，汽车线束就可以焊接在一起。焊接时，除了焊头的振动，其他工具头听不懂。焊接后，聚合模块后退，砧顶块后退，同时砧连接块上升，即可取出线束。由于焊接头在其他工具头固定的同时振动，为了防止每个工具头与焊接头之间的焊接损坏焊接机，焊接头的上表面与聚合模块的底板、砧顶块的侧面和砧连接块的侧面之间留有0.025毫米的间隙，使焊接头不能与其他工具头接触。这些间隙之间不应留有碎铜等杂物，否则焊接时刀头工作面会烧坏，严重时会损坏电路板。由于超声波振动是由焊头产生的，其能量从焊头传递到砧顶块，离焊头越近，能量越大，能量自上而下传递。因此，在放置焊丝时，粗焊丝应放置在下端，应靠近焊头表面，细焊丝应依次垂直向上排列，这样粗焊丝才能获得较大的能量，从而防止过度焊接或焊接不足。垂直布置可以防止侧焊，从而保证焊接质量。

在超声波焊接汽车线束时，需要设置相关参数，如导线的截面积、导线的对准、压力、焊接距离、振幅、宽度、压力、能量等。焊接过程中，导线应垂直搭接，大截面线应靠近下方焊接工具头，使焊接充分；导体应靠近砧面放置，相互靠近，以便焊接后有足够的牢固性；导线搭接长度一般设置为13-15毫米。如果搭接长度过短，焊接强度不易保证。如果搭接长度过长，焊接端容易翘起，给下一道工序带来不便。焊接接头表面不允许有氧化、断丝、缺陷和绝缘层熔化现象。焊接和非焊接之间的过渡部分A应为弧形，在b区可以看到非焊接导体的末端。

金属超声波焊接的特点和优缺点

优点:

1.超声波金属焊接压力低、能耗低，可以焊接异种金属材料。基于这些特点，综合利用超声波金属焊接技术和数控铣削技术，可以快速成形金属零件。在成型过程中，嵌入功能器件，制成智能金属基复合材料。

2.金属超声波焊机可以进行点焊和连续焊接。焊接速度快。就适用范围而言。即使材料的物理性能差别很大，也能很好地焊接。也可用于焊接不同厚度的金属箔、细丝、微小器件和多层金属片，这是其他方法无法实现的。

3.超声波金属焊接强度高，稳定性好。具有疲劳强度高特点。

4.焊接过程中不需要水冷和气体保护，焊接件变形很小。焊接后，工件不需要进行退火等热处理。金属本身的超声波焊接过程包括焊件表面氧化层的破碎和清理。焊接表面干净美观，不需要像其他焊接方法那样进行焊后清理。信息网络

5.金属的超声波焊接不需要焊条。焊接区域没有通电。不要直接加热要焊接的金属。与焊条电弧焊和气焊相比，苏州超声波塑料焊接机在焊接同一工件金属时消耗的能量要少得多。

6.因为不需要添加助焊剂。不污染加工对象，不产生焊渣、污水、有害气体等任何废弃物污染，是一种节能环保的焊接方法。

7.由于超声波传输发生器是电力电子电路，易于实现电气控制，并且可以很好地配合计算机进行焊接控制，从而实现高精度焊接，易于实现焊接的信息化和自动化。

缺点:

1.虽然超声波应用于金属材料焊接，可以获得良好的焊接效果，但超声波发生器、声学系统和机械系统整个系统的稳定性、可操作性和可靠性仍存在一些问题。因此，声学系统(换能器、喇叭、连接部件)的设计以及声学系统与试样之间的连接方式都是非常关键的问题。

2.对金属超声波焊接的机理缺乏了解。超声波焊接中是否没有金属熔化只是一种固相焊接方法，还是金属之间的结合过程，需要进一步研究。

3.影响超声波金属焊接工艺参数的因素很多，不容易概括。

4.由于焊接所需的功率随着工件厚度和硬度的增加呈指数增长，因此大功率超声波焊接机的制造难度大，成本高。随着焊接功率的进一步提高，不仅会在声学系统的设计和制造上面临一系列难题，而且可能达不到预期的工艺效果。因此，目前仅限于焊接线、箔和薄板等薄零件。

5.超声波焊接机的“开放性”相对较差，工件的延伸尺寸不能超过焊接系统的允许范围。目前接头形式只有搭接接头。

6.焊点表面易产生高频机械振动，导致边缘疲劳损伤，不利于焊接硬脆材料。

7.目前，超声波焊接的焊接质量检测仍然很困难。无损检测设备还没有普及，无法采用常用的方法进行监测，这也给批量生产造成了一定的困难。

金属超声波焊接的应用:

适用于铜、铝、锡、镍、金、银、钼、不锈钢等有色金属材料的瞬时焊接。总厚度可达2-4毫米。

超声波焊接机故障分析

1.发热

焊接头在工作时会有一定的发热现象，这是由于材料本身的机械损耗和焊件的热传导造成的。判断发热是否正常的标准是空载(即不接触工件)。连续发射超声波半小时以上，温度不能超过50-70℃。如果发热严重，则证明焊头损坏或材质不合格，需要更换。

嚎叫

当焊接头在工作时发出声响时，应分析以下原因:

①安装螺钉是否松动？

②焊头是否开裂。

③焊头是否与不应接触的物体接触。

过载

当发电机发出过载警报时，按照以下步骤进行检查:

①空载荷试验，如果工作电流正常，可能是焊头碰到了不应该碰到的物体或者焊头与焊座之间的参数调整失败。

②当空负荷试验异常时，首先观察焊头是否有裂纹，安装是否牢固，然后取下焊头，再进行空负荷试验，逐步排除换能器+喇叭是否有问题。排除传感器+喇叭故障的可能性后，更换新的焊头进行判断。

③有时空负荷试验正常，但不能正常工作。可能是焊接头等声能部件内部变化导致声能传递不畅。这里有一个简单的判断方法:手触法。工作时工作喇叭或喇叭面的振幅非常均匀，手感光滑如绒。声能传递不顺畅时，手感觉像气泡或毛刺。此时，应采用排除法排除有问题的零件。当发生器出现异常时，也会出现同样的情况，因为正常情况下，检测换能器的输入波形时，应该是平滑的正弦波，而当正弦波上出现峰值或异常波形时，也会出现这种现象，所以可以用另一个整体声能元件代替来区分。