超声波焊接的工艺特点

超声波焊接的工艺特点超声波焊接的焊点，应有高的接合强度和合格的表面质量，除了表面不能有明显的挤压坑和焊点边缘的凸出以外，还应注意与上声极接触处的焊点表面情况，不允许有裂纹和局部未熔合，因此，超声波焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。一、超声波焊接特点1)可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等）、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。2)焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。3)焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。4)被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。5)形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5％；焊件变形小。6)不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而与上声极接触的焊件厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，对接接头还无法应用。二、超声波焊接的分类超声波焊接分类按照超声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊接的基本类型可以分为两类：一类是振动能量由切向传递到焊件表面而使焊接界面产生相对摩擦，这种方法适用于金属材料的焊接；另一类是振动能量由垂直于焊件表面的方向传入焊件，主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊；近年来，双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。（1）点焊点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。功率500W以下的小功率焊机多采用轻型结构的纵向振动；千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统；而轻型弯曲振动系统适用于中小功率焊机，它兼有上述两种振动系统的优点。（2）环焊环焊方法如图5所示，主要用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊接时，耦合杆4带动上声极5作扭转振动，振幅相对于声极轴线呈对称分布，轴心区振幅为零，边缘位置振幅最大。该类焊接方法最适合于微电子器件的封装工艺，有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合，用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的面积较大，需要有较大的功率输入，因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。（3）缝焊与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式（图6）。其中最常见的是纵向振动形式，只是滚轮的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝，通常焊件被夹持在上下滚轮之间，在特殊情况下可采用平板式下声极。（4）线焊它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到150mm，这种方法最适用于金属薄箔的封口。（5）双超声波振动系统的点焊：上下两个振动系统的频率分别为27kHz和20kHz（或15kHz），上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为3kW时，可焊铝件的厚度达10mm，焊点强度达到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接，虽然焊接方法与点焊基本相同，但焊接设备复杂，要求设备的控制精度高，以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。（6）超声波对焊超声波对焊主要用于金属的对接，是近年来开发的一种新方法。焊接设备由上、下振动系统、提供接触压力的液压源和焊件夹持装置等部分组成。左边焊件的一端由夹具固定，另一端夹在上、下振动系统之间作超声振动；右焊件端面与左端面对接，并由夹具夹紧，接触压力加在右侧焊件上。焊接时，在超声振动的作用下即可把两个焊件在端面焊接在一起。应注意，焊接装置的上、下振动系统的振动相位必须相反，上振动系统可以是无源的。采用频率为27kHz的该类焊接装置可以焊接6～10mm厚的铝板、6mm厚的铜板和铝板的焊接。目前可以实现6mm厚、100～400mm宽铝板的对接。三、超声波焊接头设计1．焊点设计超声波焊接时，要求焊点强度必须达到一定的要求，需要设计出一种合理的焊点结构，同时还要保持外形尽可能美观。焊点分布如图10所示，对焊点与板材边缘的距离没有限制，可以沿边缘布置焊点，焊点之间的距离可以任意选定，可以重叠和重复焊接（修补），每行之间的距离也可以根据需要任选，不存在电阻点焊时的分流问题。2．焊接界面设计为了在焊接过程中使能量集中，缩短焊接时间，提高焊接质量，焊接界面的设计非常重要，主要有以下几种形式。（2）台阶式界面为了提高焊接力，可设计成图12所示的台阶式焊接界面（W为板宽），三角形凸缘可以使凸缘材料熔化之后流入预留的孔隙，能产生较大的切应力及拉力强度，这种设计还可以避免外表面上产生的焊接痕迹。（3）凹凸插接式界面，待焊材料设计成带有三角形凸缘的凹凸形式，两焊件之间应留有间隙，凸形焊件壁应有一定的斜度，以便塑料件容易拼合，同时让熔融的材料有流动的空间，不致溢出外面。在超声波焊的接头设计中应注意控制焊件的谐振问题。当上声极向焊件引入超声振动时，如果焊件沿振动方向的自振频率与引入的超声振动频率相等或相近，就有可能引起焊件的谐振，其结果往往造成已焊焊点的脱落，严重时可导致焊件的疲劳断裂。解决上述问题的简单方法就是改变焊件与声学系统振动方向的相对位置，或者改变焊件的自振频率。四、超声波焊接参数选择超声波焊的主要参数有振动频率?振幅A、静压力F及焊接时间t，此外还应考虑超声波功率的选择以及各参数之间的相互影响。在超声波焊接中，点焊应用得最普遍，下面以点焊为例讨论各参数对焊接质量的影响。1．超声波振动频率?振动频率主要是指谐振频率的数值和谐振频率精度。振动频率一般在15～75kHz之间。频率的选择应考虑被焊材料的物理性能和厚度，焊件较薄的选用比较高的振动频率；焊件较厚、焊接材料的硬度及屈服强度较低时选用较低的振动频率。这是由于在维持声功能不变的前提下，提高振动频率可以降低振幅，因而可降低薄件因交变应力引起的疲劳破坏。振动频度对焊点抗剪强度有影响，材料越硬、厚度越大时，频率的影响越明显。应注意，随着频率的提高，高频振荡能量在声学系统中的损耗将增大，因此大功率超声波点焊机的频率比较低，一般在15～20kHz范围内。振动频率的精度是保证焊点质量稳定的重要因素，由于超声波焊接过程中机械负荷的多变性，会出现随机的失谐现象，造成焊接质量不稳定。2．振幅A振幅是超声波焊接工艺中基本的参数之一，它决定着摩擦功率的大小，关系到焊接面氧化膜的去除、接合面的摩擦产热、塑性变形区域的大小及塑性流动层的状况等。因此，根据被焊材料的性质及其厚度正确选择振幅的数值是获得高可靠接头的前提。振幅的选用范围一般为5～25μm，小功率超声波焊机一般具有高的振动频率，但振幅范围较低。低硬度的焊接材料或较薄的焊件应选用较低的振幅；随着材料硬度及厚度的提高，所选用的振幅也应相应提高。这是因为振幅的大小对应着焊件接触表面相对移动速度的大小，而焊接区的温度、塑性流动以及摩擦功的大小又由该相对移动速度所确定。对于具体的焊件，存在一个合适的振幅范围。图15为铝镁合金在不同振幅值下焊点强度的试验结果。当振幅A为17μm时，焊点抗剪强度最大，振幅减小，强度随之降低。当振幅小于6μm时，已经不能形成接头，即使增加振动作用的时间也无效果。这是因为振幅值过小，焊件间相对移动速度过小所致。当振幅值超过17μm时，焊点强度反而下降，这主要与金属材料内部及表面的疲劳破坏有关，因此振幅过大，由上声极传递到焊件的振动剪力超过了它们之间的摩擦力，声极与工件之间发生相对的滑动摩擦，并产生大量的热和塑性变形，导致上声极嵌入焊件，使有效接合截面减少所致。超声波焊机的换能器材料和聚能器结构决定了焊机振幅的大小，当它们确定以后，要改变振幅，一般是通过调节起声波发生器的电参数来实现。此外，振幅值的选择与其他参数有关，应综合考虑。必须指出，在合适的振幅范围内，采用偏大的振幅可大大缩短焊接时间，提高焊接生产效率。3．静压力F静压力的作用是通过声极使超声振动有效地传递给焊件，超声波焊接时所需静压力的大小根据材料类型的不同而异。静压力与焊点抗剪力之间的关系如图16所示。当静压力过低时，由于超声波几乎没有被传递到焊件，不足以在两焊件界面产生一定的摩擦功，超声波能量几乎全部损耗在上声极与焊件之间的表面滑动方面，因此不可能形成有效的连接。随着静压力的增加，改善了振动的传递条件，使焊区温度升高，材料的变形抗力下降，塑性流动的程度逐渐加剧；另外，由于压应力的增加，接触处塑性变形的面积及连接面积增加，因而接头的强度增加。当静压力达到一定数值后再增加压力，接头强度不再提高或反而下降。这是因为当静压力过大时，振动能量不能合理地利用，使摩擦力过大，造成焊件间的相对摩擦运动减弱，甚至会使振幅值有所降低，导致了焊件间的连接面积不再增加或有所减小，加之材料压溃造成接头的实际接合截面减少，使焊点强度降低。在其他焊接条件不变的情况下，选用偏高的静压力，可以在较短的焊接时间内得到同样强度的焊点，这是因为偏高的静压力能在振动早期较低的温度下产生塑性变形所致。同时，选用偏高的静压力，能在较短的时间内达到最高的温度，缩短了焊接时间。4．焊接时间t焊接时间对接头质量有很大影响，焊接时间太短时，表面的氧化膜来不及被破坏，只形成几个凸点间的接触，则接头强度过低，甚至不能形成接头。随着焊接时间的延长，焊点强度迅速提高，在一定的焊接时间内强度值不降低。但当超声波焊接时间超过一定值以后，焊点强度反而下降，这是由于焊件的热输入量过大，塑性区扩大，上声极陷入焊件，除了降低焊点的截面积以外，还容易引起焊点表面和内部产生裂纹。从图17中还可以看出，对于不同的静压力，获得接头最佳强度所需的焊接时间不同，增大静压力的数值，可在某种程度上缩短焊接时间。5．焊接功率P超声波焊接时，功率的选择主要取决于焊件的厚度和材料的硬度，由于在实际应用中超声波功率的测量尚有困难，因此常常用振幅来表示功率的大小，超声波功率与振幅的关系可由下式确定：P＝μSFυ＝μSF2Aω/π＝4μSFA?（1）式中P——超声波功率；F——静压力；S——焊点面积；υ——相对速度；A——振幅；μ——摩擦系数；ω——角频率（ω＝2π?）；?——振动频率。超声波焊接时，振幅的选取范围为5～25μm，当换能器材料、结构及其功率选定后，振幅值大小还与聚能器的放大系数有关。通常在确定上述各种焊接参数的相互影响时，可以通过绘制临界曲线的方法来达到，图18为静压力与功率的临界关系曲线。一般选用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。上述几个焊接参数之间并不是孤立的，而是相互影响、相互关联，应统筹考虑。例如，塑料的超声波焊接时，接头质量的好坏取决于换能器的振幅、静压力及焊接时间等因素的相互配合。焊接时间t和焊头静压力F是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定，这三个量相互有最佳选择值。焊接能量超过合适值时，材料的熔解量大，产生较大的变形。若焊接能量太小，则不易焊牢。除了焊接参数以外，上声极材料、形状尺寸及其表面状态等因素也对焊接质量有影响。