【文章內容簡介】 “維持維持 ”3個步驟形成一個焊接循環(huán)個步驟形成一個焊接循環(huán)，從接頭形成的微觀機理上分析，超聲波，從接頭形成的微觀機理上分析，超聲波焊經歷了以下三個階段：焊經歷了以下三個階段：振動摩擦階段振動摩擦階段 n 超聲波焊的第一個過程主要是摩擦過程，其相對超聲波焊的第一個過程主要是摩擦過程，其相對摩擦速度與摩擦焊相近，只是振幅僅僅為幾十微摩擦速度與摩擦焊相近，只是振幅僅僅為幾十微米。這一過程的主要作用是排除工件表面的油米。這一過程的主要作用是排除工件表面的油污、氧化物等雜質，使純凈的金屬表面暴露出污、氧化物等雜質，使純凈的金屬表面暴露出來。焊接時，由于上聲極的超聲振動，使其與上來。焊接時，由于上聲極的超聲振動，使其與上焊件之間產生摩擦而造成暫時的連接，然后通過焊件之間產生摩擦而造成暫時的連接，然后通過他們直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面他們直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點上，在此產生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點之間的摩擦，逐漸擴大摩擦面，同時破壞、排擠之間的摩擦，逐漸擴大摩擦面，同時破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其它附著物。和分散表面的氧化膜及其它附著物。 溫度升高階段溫度升高階段 n 在繼續(xù)的超聲波往復摩擦過程中，接觸表在繼續(xù)的超聲波往復摩擦過程中，接觸表面溫度升高（焊區(qū)的溫度約為金屬熔點的面溫度升高（焊區(qū)的溫度約為金屬熔點的35％％ ~50％），變形抗力下降，在靜壓力％），變形抗力下降，在靜壓力和彈性機械振動引起的交變剪應力的共同和彈性機械振動引起的交變剪應力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動不斷作用下，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部，促使純金屬表面的深入到被焊材料內部，促使純金屬表面的原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范因內，出現(xiàn)原子擴散及相互結合，形成共因內，出現(xiàn)原子擴散及相互結合，形成共同的晶?；虺霈F(xiàn)再結晶現(xiàn)象。同的晶?；虺霈F(xiàn)再結晶現(xiàn)象。 固相接合階段固相接合階段 n 隨著摩擦過程的進行，微觀接觸面積越來越大，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)內甚至接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內甚至形成渦流狀的塑性流動層（見下圖），出現(xiàn)焊件形成渦流狀的塑性流動層（見下圖），出現(xiàn)焊件間的機械咬合。焊接初期咬合點較少，咬合面積間的機械咬合。焊接初期咬合點較少，咬合面積也較少，接合強度不高，很快被超聲振動所引起也較少，接合強度不高，很快被超聲振動所引起的剪切應力所破壞。隨著焊接過程的進行，咬合的剪切應力所破壞。隨著焊接過程的進行，咬合點數(shù)和咬合面積逐漸增加，當焊件之間的結合力點數(shù)和咬合面積逐漸增加，當焊件之間的結合力超過上聲極與上焊件之間的結合力時，切向振動超過上聲極與上焊件之間的結合力時，切向振動不能切斷焊件之間的結合，形成牢固的接頭。不能切斷焊件之間的結合，形成牢固的接頭。 超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層 超聲波焊接特點超聲波焊接特點 n 可焊的材料范圍廣，可用于同種金屬材料、特別是可焊的材料范圍廣，可用于同種金屬材料、特別是高導電、高導熱性的材料高導電、高導熱性的材料 (如金、銀、銅、鋁等如金、銀、銅、鋁等 )和和一些難熔金屬，也可用于性能相差懸殊的異種金屬一些難熔金屬，也可用于性能相差懸殊的異種金屬材料材料 (如導熱、硬度、熔點等如導熱、硬度、熔點等 )、金屬與非金屬、塑、金屬與非金屬、塑料等材料的焊接。還可以實現(xiàn)厚度相差懸殊以及多料等材料的焊接。還可以實現(xiàn)厚度相差懸殊以及多層箔片等特殊結構的焊接。層箔片等特殊結構的焊接。n 焊件不通電，不需要外加熱源，接頭中不出現(xiàn)宏觀焊件不通電，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)生的氣孔等缺陷，不生成脆性金屬間化合物，不發(fā)生象電阻焊時易出現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等問題。象電阻焊時易出現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等問題。n 焊縫金屬的物理和機械性能不發(fā)生宏觀變化，其焊焊縫金屬的物理和機械性能不發(fā)生宏觀變化，其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭的強接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭的強度高，且穩(wěn)定性好。度高，且穩(wěn)定性好。超聲波焊接特點超聲波焊接特點n 被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質量影響較小被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質量影響較小，焊前表面推備工作比較簡單。，焊前表面推備工作比較簡單。n 形成接頭所需電能少，僅為電阻焊的形成接頭所需電能少，僅為電阻焊的 5％；焊件變％；焊件變形小。形小。n 不需要添加任何粘接劑、填料或溶劑，具有操作不需要添加任何粘接劑、填料或溶劑，具有操作簡便，焊接焊接速度快、接頭強度高、生產效率簡便，焊接焊接速度快、接頭強度高、生產效率高等優(yōu)點。高等優(yōu)點。n 超聲波焊的主要缺點是受現(xiàn)有設備功率的限制，超聲波焊的主要缺點是受現(xiàn)有設備功率的限制，因而與上聲極接觸的工件厚度不能太厚，接頭形因而與上聲極接觸的工件厚度不能太厚，接頭形式只能采用搭接接頭，對接接頭還無法應用。式只能采用搭接接頭，對接接頭還無法應用。超聲波焊接的兩種形式超聲波焊接的兩種形式n 按照超聲波彈性振動能量傳入焊件的方向按照超聲波彈性振動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：，超聲波焊接的基本類型可以分為兩類：一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面產生相對摩擦，這種方法適用于焊接界面產生相對摩擦，這種方法適用于金屬材料的焊接；另一類是振動能由垂直金屬材料的焊接；另一類是振動能由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要是用于于焊件表面的方向傳入焊件，主要是用于塑料材料的焊接。塑料材料的焊接。超聲波焊接的兩種形式超聲波焊接的兩種形式 a) 切向傳遞 b) 垂直傳遞D－振動方向 1－聚能器 2－上聲極 3－工件 4－下聲極超聲波焊接分類超聲波焊接分類n 超聲點焊超聲點焊n 超聲環(huán)焊超聲環(huán)焊 n 超聲縫焊超聲縫焊 n 超聲線焊超聲線焊 超聲點焊超聲點焊n 點焊是應用最廣的一種焊接形式，根據振點焊是應用最廣的一種焊接形式，根據振動能量的傳遞方式，可以分為單側式、平動能量的傳遞方式，可以分為單側式、平行兩側式和垂直兩側式。振動系統(tǒng)根據上行兩側式和垂直兩側式。振動系統(tǒng)根據上聲極的振動方向也可以分為縱向振動系聲極的振動方向也可以分為縱向振動系統(tǒng)、彎曲振動系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕統(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)。功率型彎曲振動系統(tǒng)。功率 500W以下的小功率以下的小功率焊機多采用輕型結構的縱向振動，千瓦以焊機多采用輕型結構的縱向振動，千瓦以上的大功率焊機多采用重型結構的彎曲振上的大功率焊機多采用重型結構的彎曲振動系統(tǒng)，而輕型彎曲振動系統(tǒng)適用于中小動系統(tǒng)，而輕型彎曲振動系統(tǒng)適用于中小功率焊機，它兼有兩種振動系統(tǒng)的優(yōu)點。功率焊機，它兼有兩種振動系統(tǒng)的優(yōu)點。 超聲波點焊的類型超聲波點焊的類型 a)b)c)a）縱向振動系統(tǒng) b）彎曲振動系統(tǒng) c）輕型彎曲振動系統(tǒng)超聲環(huán)焊超聲環(huán)焊n 超聲環(huán)焊主要用于一次成形的封閉形焊縫超聲環(huán)焊主要用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的是扭轉振動系統(tǒng)。焊接，能量傳遞采用的是扭轉振動系統(tǒng)。焊接時，耦合桿帶動上聲極作扭轉振動，振幅時，耦合桿帶動上聲極作扭轉振動，振幅相對于聲極軸線呈對稱分布，軸心區(qū)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。該類焊接方法為零，邊緣位置振幅最大。該類焊接方法最適合于微電子器件的封裝工藝，有時環(huán)最適合于微電子器件的封裝工藝，有時環(huán)焊也用于對氣密要求特別高的直線焊縫的焊也用于對氣密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，縫的面積較大，需要有較大的功率輸入，因此常常采用多個換能器的反向同步驅動因此常常采用多個換能器的反向同步驅動方式。方式。 超聲波環(huán)焊的工作原理超聲波環(huán)焊的工作原理 n 1－換能器－換能器 n 3－聚能器－聚能器 n 4－耦合桿－耦合桿 n 5－上聲極－上聲極 n 6－工件－工件 n 7－下聲極－下聲極 n F－靜壓力－靜壓力 n V－振動方向－振動方向 超聲縫焊超聲縫焊n 和電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實質和電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實質上是由局部相互重疊的焊點形成一條連續(xù)上是由局部相互重疊的焊點形成一條連續(xù)焊縫?？p焊機的振動系統(tǒng)按其焊盤振動狀焊縫?？p焊機的振動系統(tǒng)按其焊盤振動狀態(tài)可分為縱向振動、彎曲振動以及扭轉振態(tài)可分為縱向振動、彎曲振動以及扭轉振動等三種形式（見圖動等三種形式（見圖 106）。其中最常見）。其中最常見的是縱向振動形式，只是滾盤的尺寸受到的是縱向振動形式，只是滾盤的尺寸受到驅動功率的限制?？p焊可以獲得密封的連驅動功率的限制?？p焊可以獲得密封的連續(xù)焊縫，通常工件被夾持在上下焊盤之間續(xù)焊縫，通常工件被夾持在上下焊盤之間，在特殊情況下可采用平板式下聲級。，在特殊情況下可采用平板式下聲級。 超聲波縫焊的振動形式超聲波縫焊的振動形式 n a)縱向振動縱向振動 n b)彎曲振動彎曲振動 n c)扭轉振動扭轉振動 －：－：n A－焊盤上振幅分布－焊盤上振幅分布 v1－聚能器上振動方向－聚能器上振動方向 v2－焊點上的振動方向－焊點上的振動方向n ⊙－垂直于紙面－垂直于紙面 (向外向外 )超聲線焊超聲線焊n 它是點焊方法的一種延伸，利用線狀上聲它是點焊方法的一種延伸，利用線狀上聲極，在一個焊接循環(huán)內形成一條狹窄的直極，在一個焊接循環(huán)內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)線狀焊縫，聲極長度就是焊縫的長度，現(xiàn)在可以達到在可以達到 150mm長，這種方法最適用于長，這種方法最適用于金屬薄箔的封口。金屬薄箔的封口。 超聲波線焊示意圖超聲波線焊示意圖 n 1－換能器－換能器n 2－聚能器－聚能器 n 3－－ 125mm長長焊接聲極頭焊接聲極頭n 4－周圍繞放罐－周圍繞放罐型坯料的心軸型坯料的心軸n v－振動方向－振動方向n F－靜壓力－靜壓力雙超聲波振動系統(tǒng)的點焊雙超聲波振動系統(tǒng)的點焊 n 采用兩個不同頻率的振動系統(tǒng)來完成一個焊點的點焊示意圖采用兩個不同頻率的振動系統(tǒng)來完成一個焊點的點焊示意圖，上下兩個振動系統(tǒng)的頻率分別為，上下兩個振動系統(tǒng)的頻率分別為 27kHz和和 20kHz(或或15kHz)，上下振動系統(tǒng)的振動方向相互垂直，焊接時二者，上下振動系統(tǒng)的振動方向相互垂直，焊接時二者作直交振動。當上下振動系統(tǒng)的電源各為作直交振動。當上下振動系統(tǒng)的電源各為 3kW時，可焊鋁件時，可焊鋁件的厚度達的厚度達 10mm，焊點強度達到材料本身的強度。雙超聲波，焊點強度達到材料本身的強度。雙超聲波振動系統(tǒng)多用于集成電路和晶體管細導線的焊接，雖然焊接振動系統(tǒng)多用于集成電路和晶體管細導線的焊接，雖然焊接方法與點焊基本相同，但焊接設備復雜，要求設備的控制精方法與點焊基本相同，但焊接設備復雜，要求設備的控制精度高，以便實現(xiàn)焊點的高質量和高可靠性焊接。度高，以便實現(xiàn)焊點的高質量和高可靠性焊接。 超聲波對焊超聲波對焊 超聲對焊主要用于金屬的對接，原理如圖所示，焊接設備超聲對焊主要用于金屬的對接，原理如圖所示，焊接設備由上下振動系統(tǒng)提供接觸壓力的液壓源和焊件夾持裝置等部分由上下振動系統(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、下振動系組成。左邊焊件的一端由夾具固定，另一端夾在上、下振動系統(tǒng)之間作超聲振動；右焊件端面與左端面對接，并由夾具夾緊統(tǒng)之間作超聲振動；右焊件端面與左端面對接，并由夾具夾緊，接觸壓力加在右側焊件上。焊接時，在超聲振動的作用下即，接觸壓力加在右側焊件上。焊接時，在超聲振動的作用下即可把兩個焊件在端面焊接在一起。應注意，上、下振動系統(tǒng)的可把兩個焊件在端面焊接在一起。應注意，上、下振動系統(tǒng)的振動相位必須相反，上振動系統(tǒng)可以是無源的。目前可以實現(xiàn)振動相位必須相反，上振動系統(tǒng)可以是無源的。目前可以實現(xiàn)6mm厚、厚、 100～～ 400mm寬鋁板的對接。寬鋁板的對接。超聲波焊接參數(shù)選擇超聲波焊接參數(shù)選擇n 超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率 f、振幅、振幅 A、靜壓力、靜壓力 p及焊接時間及焊接時間 t，此外還應考慮超，此外還應考慮超聲波功率的選擇以及各參數(shù)之間的相互影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，點焊應用的最普遍響。在超聲波焊接中，點焊應用的最普遍，下面以點焊為例討論各參數(shù)對焊接質量，下面以點焊為例討論各參數(shù)對焊接質量的影響。的影響。振動頻率振動頻率n 振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度。諧振頻率一般在頻率精度。諧振頻率一般在 15～～ 75kHz之之間，頻率的選擇應考慮被焊材料的物理性間，頻率的選擇應考慮被焊材料的物理性能和厚度，焊件較薄時選用比較高的諧振能和厚度，焊件較薄時選用比較高的諧振頻率，焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服頻率，焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強度較低時選用較低的諧振頻率。這是由強度較低時選用較低的諧振頻率。這是由于在維持聲功能不變的前提下，提高振動于在維持聲功能不變的前提下，提高振動頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應力引起的疲勞破壞。變應力引起的疲勞破壞。振動頻率振動頻率n 振動頻率對焊點抗剪強度有影響，材料越振動頻率對焊點抗剪強度有影響，材料越硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在聲學系統(tǒng)中的損耗將增大，因此大功率超聲學系統(tǒng)中的損耗將增大，因此大功率超聲波點焊機的頻率比較低，一般在聲波點焊機的頻率比較低，一般在 15～～20kHz范圍內。諧振