搜索
特种焊接作业学院：材料科学与工程学院专业班级：焊接1301班姓名：程磊学号：120204124任课教师：张楠楠完成日期：2016.07.04超声波焊一、超声波焊概述超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40KHz电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器，换能器/变幅杆/焊头三联组，模具和机架。二、焊接原理超声波塑料焊接原理超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积V1V2图0超声波焊原理1-发生器2-换能器3-传振杆4-聚能器5-耦合杆6-静载7-上声极（焊头）8-工件9-下声极（焊座）F-静压力V1-纵向振动方向V2-弯曲振动方向超声波金属焊接原理超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将线框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。三、焊接种类1、超声波焊接ultrasonicwelding热塑性塑料在超声波振动作用下，由于表面分子间摩擦生热而使两块塑料熔接在一起的焊接方法。2、超声波金属焊接超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。四、熔焊方法超音波的熔焊应用方法一、熔接法：以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生摩擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。二、铆焊法：将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。三、埋植：借着焊头的传道及适当的压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型的强度，可免除射出模受损及射出缓慢的缺点。四、成型：本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压在塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶熔融成型而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭的固定成型，及化妆品类的镜片固定等。五、点焊：A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。六、切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。五、焊接设备超声波点焊机的典型结构组成见图(1)，由超声波发生器(A)声学系统(B)加压机构(C)程控装置(D)等四部分组成.图1超声波点焊机的典型结构组成A）超声波点焊机的构成B）功率为3KW的超声波缝焊机1-超声波发生器；2-换能器；3-传振杆；4-聚能器；5-耦合杆；6-上声极；7-工件；8-下声极；9-电磁加压装置；10-控制加压电源；11-程控器；12-电源超声波发生器超声波发生器用来将工频（50HZ）电流变换成超声频率（15~60KHZ）的振荡电流，并通过输出变压器与换能器相匹配。目前有电子管放大式、晶体管放大式、晶闸管逆变式及晶体管逆变式等多种路形式。其中电子管式效率低，仅为30%-45%，已经被晶体管放大式等所替代。目前应用最广的是晶体管放大式发生器，在超声波发生器作为焊接应用时，频率的自动跟踪是一个必备的性能。由于焊接过程随时会发生负载的改变以及声学系统自振频率的变化，为确保焊接质量的稳定，利用取自负载的反馈信号，构成发生器的自激状态，以确何自动跟踪和最优的负载匹配。声学系统(1)换能器换能器用来将超声波发生器的电磁振荡转成相同频率的机械振动。常用的换能器有压电式及磁致伸缩式两种.(2)传振杆：超声波焊机的传振杆主要是用业高速输出负载、因定系统以及方便实际使用，是与压电式换能器配套的声学主件。(3)聚能器：聚能器又称变幅杆，在声学系统中起着放大换能器输出的振幅并耦合传输到工件的作用。(4)耦合杆：耦合杆用来改变振动形式，一般是将聚能器输出的纵向振动改变为弯曲振动，当声学系统含有耦合杆时，振动能量的传输及耦合功能就都由耦合杆来承担。除了应根据谐振条件来设计耦合杆的自振频率外，还可以通过波长数的选择来调整振动振幅的分布，以获得最优的工艺效果。(5)声极(焊头、焊座)：超声波焊机中直接与工件接触声学部件称为上、下声极。对于点焊机来说，可以用各种方法与聚能器或耦合杆相连接，而缝焊机的上下声极可以就是一对滚盘，至于塑料用焊机的上声极，其形状更是随零件形状而改变。但是，无论是哪一种声极，在设计中的基本问题仍然是自振频率的设计，显然，上声极有可能成为最复杂的一个声学元件。加压机构向工件施加静压力的加压机构是形成焊接接头的必要条件，目前主要有液压、气压、电磁加压及自重加压等几种。其中液压方式冲击力小、主要用于大功率焊机，小功率焊机多采用电D11A121B65109C7834磁加压或自重加压方式，这种方式可以匹配较快的控制程序。实际使用中加压机构还可能包括工件的夹持机构。见图（2）图2工件夹持结构1-声学头（焊头）2-夹紧头3-丝(焊件之一)4-工件5-下声极（焊座）六、接头性能及接头设计接头性能1）力学性能：超声波焊接接头具有良好的力学性能，尤其是对于那些在熔化焊及电阻焊中属于焊接性不良的金属更能显示这一固相焊接方法的优点。这种接头有三个重要特点：表面特征显著，接头强度高和金相组织一致。2）显微组织：超声波焊点的显微组织通常与母材呈相同组织状态，这是固相焊接方法最主要的特征。接头设计考虑到超声波焊接过程中，母材不发生熔化，焊点不受过大压力及变形，也没有电流分流等问题，因而在设计焊点的点距边距等参数时，与电阴焊相比较要“自由”得多。（1）超声波焊的边距e没有限制，根据情况可以沿边焊接，电阻焊的设计标准为e6MM（2）超声波焊的点距S可任意选定，可以重叠，甚至可以重复焊（修补），电阻焊时，为了防止分流应使S8δ（板厚）（3）超声波焊的行距r可以任选。但是在超声波焊的接头设计中却有一个特殊问题，即如何控制工件的谐振问题。当上声极向工件引入超声振动时，如果工件沿振动方向的自振频率与引入的超声振动频率相等或接近，就可能引起工件的谐振，其结果往往会造成已焊焊点的脱落，严重时可导致工件的疲劳断裂，解决上述问题的简单方法就是改变工件与声学系统振动方向的相对位置或者在工件上夹持质量块以改变工件的自振频率，如图3此图说明适当夹固状态比完全自由状态焊接质量好，因为自由状态，靠近焊头的工件层会大量随振幅运动而消耗了大量能量，在其它层就“穿不透”MVFb)图3工件与声学系统相对位置的实验1-自由状态2-夹固状态M-夹固F-静压力V-振动方向七、焊接工艺超声波焊接的主要工艺参数是:振幅、振动频率、静压力及焊接时间。焊接需用的功率P（W）取决于工件的厚度δ（MM）和材料硬度H（HV），并可按下式确定P=DH3/2δ3/2式中K——系数，其函数关系见图4。5005010500050000010001002.5mm1.6mm0.5mm0.25mm0.12mm0.025mm1.0mm需用功率/W图4需用功率与工件硬度的关系由于在实际应用中超声功率的测量尚有困难，因累常常用振幅来表示功率的大小。超声功率与振幅的关系可由下式确定：P=μSFv=μsF2Aω/Л=4μsFAf式中P——超声功率；F——静压力；S——焊点面积；V——相对速度A——振幅；μ——摩擦系数；ω——角频（ω=2Лf）；f——振动频率。常见振幅约为5~25μM，当换能器材料及其结构按功率选定后，振幅值大小还与聚能器的放大系数有关。调节发生器的功率输出，即可以调节振幅的大小，图5是铝镁合金超声波焊点抗剪强度与振幅的实验关系。如图所示，当振幅为17μM时抗剪强度最大，振幅减少则强度显著降低，当振幅A6μM时，无论采用多长时间或多大的静压力都不能形成焊点。振幅还一个上限值，超过此值后强度会降低，这与材料内部及表面发生疲劳裂缝以及上声极埋入工件后削弱了焊点断面有关。0400512008001600200010152025焊点剪切强度/N图5铝镁合金焊点抗剪强度与振幅的关系（1）超声波焊的谐振频率f在工艺上有两重意义，即谐振频率的选定以及焊接时的失谐率。谐振频率的选择以工件厚度及物理性能为依据，进行薄件焊接时，宜选用高的谐振频率（如80KHZ），这样可以在维持声功率相等的前提下降低需用的振幅。但是，频率提高会使声学系统内的传播损耗急剧增加，因而大功率焊机一般都在设计时选择16-20KHZ的较低频率，低于16KHZ的频率由于出现了噪声而很少选用。硬度与屈服极限较低的材料适宜于采用较低的工作频率，反之则选用稍高的频率。由于超声波焊接过程中负载变化很剧烈，随时可能出现失谐现象，从而导致接头强度的降低和不稳定。因此焊机的选择频率一旦被确定以后，从工艺角度讲就需要维持声学系统的谐振，这是焊点质量及其稳定性的基本保证。图6是焊点抗剪强度与振动频率的实验曲线，材料的硬度愈高，厚度愈大，偏离谐振频率（即失谐）的影响也就愈显著。图6焊点抗剪强度与振动频率的关系（1）A）不同硬度B）不同厚度为了保证声学系统的谐振，除了采用频率自动跟踪式发生器外，还应进一步改善声学系统的设计，例如弯曲振动系统就比纵向振动系统在频率稳定性方面要好。静压力是直接影响功率输出及工件变形条件的重要因素，它的选择取决于材料厚度及硬度。焊点剪切强度/N14001000120080060040020016.116.315.915.115.715.515.3焊点剪切强度/N14001000120080060040020015.115.315.515.715.916.116.3通常在确定上述各种参数的相互影响时，可以通过绘制临蚧曲线的方法来达到。图7即为表示静压力与功率的临蛤曲线。通常在确定上述各种焊接参数的相互影响时，台以通过绘制临界曲线的方法来达到。图31-20即为表示静压力与功率的临界曲线。图7静压力功率的临界曲线P-功率F-静压力一般选最小可用功率时的静压力和比最小可用功率稍高一点的功率值进行实际焊接。图8能进行超声波焊接的材料组合八、焊接优点1、超声波塑料焊接优点：焊接速度快，焊接强度高、密封性好；取代传统的焊接/粘接工艺，成本低廉，清洁无污染且不会损伤工件；AgAlAuBeCuFeGeLiMgMoNiPbPtSiSnTaTiWZrZr●●●●●●●W●●●●●●●●●●Ti●●●●●