超聲波焊接技術論文
超聲波焊接是利用超聲波頻率***超過20000赫茲***的機械振動能量，連線同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法。這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
超聲波焊接的研究與展望
摘要：超聲波焊接的節能、環保、操作方便等突出優點，越來越受到人們的重視。超聲波焊接已廣泛應用在眾多領域。本文簡單介紹了超聲波焊接的基本原理。概述了超聲波焊接的國內發展現狀，並對超聲波焊接的發展做了展望。
關鍵詞：超聲波 焊接 研究現狀
0 引言
1950年美國人發明了超聲波焊接技術，該技術作為特種連線技術，在工業生產中得到廣泛應用。另外，超聲波焊接技術還廣泛應用於電子工業、電器製造、新材料的裝備、航空航天及核能工業、食品包裝盒、高階零件的密封技術等方面。超聲波焊接的優點主要表現為：節能、環保、操作方便，這種技術對我國建設資源節約型、環境友好型的社會起著很大的促進作用。
1 超聲波焊接原理及特點[1]
超聲波焊接作為一種特殊焊接方法，通常情況下是指利用超聲波頻率***大於16KHZ***的機械振動能量，將同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等進行連線。通過超聲波對金屬進行焊接時，一方面不需要向工件輸送電流，另一方面沒有將高溫熱源引入工件，在焊接過程中，在靜壓力的作用下，將彈性震動能量轉變為工件間的摩擦功、形變能，以及有限的溫升等。在母材不發生熔化的情況下，實現接頭間的冶金結合，因此，超聲波焊接屬於固態焊接。
工頻電流在超聲波發生器的作用下，進一步轉變為超聲波頻率***15～16KHZ***d的振盪電流。通過磁致收縮效應，換能器將電磁能轉換成彈性機械振動能。放大器的作用是對振幅進行放大，同時藉助耦合杆和上聲極與並工件進行耦合。如果換能器、放大器、耦合杆和上聲極的自振頻率相互一致，在這種情況下，系統將會產生諧振，從而將彈性振動能傳遞給靜壓力F的工件。兩種薄材工件通過此種能量之間的轉換被粘接在一起。
2 國內研究現狀
2.1 超聲波金屬焊接的研究現狀
崔巖[2]研究超聲波焊在坦克鋁件焊修中的應用，對鋁及鋁合金的焊接性進行了詳盡的分析，認為保證焊點質量穩定的重要因素是諧振頻率的精度。在超聲波焊接過程中，由於機械負荷是多變的，失諧現象會隨機出現，進而使得焊點質量不穩定。根據超聲波焊的特點，制訂相應的焊接規範。大量實驗證明：通過超聲波對鋁及鋁合金進行焊接，金屬表面緻密的氧化膜可以有效地去除，進而保證了焊接質量。
華南理工大學楊聖文等人[3]推導了銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接接頭區域理論區域溫度公式，並利用人工熱電偶法測得焊接區域溫度，分析了實測溫度偏差產生的原因，結合焊接接頭的掃描電鏡***SEW***圖片進行對比分析，研究了銅片-銅管超聲波焊接接頭的形成機理。結果表明：超聲波焊接是基於接頭區域微齒頂端處高溫、純淨金屬發生塑性變形後表面充分貼合兩個因素基礎上的金屬鍵合和機械嵌合而形成接頭的物理冶金過程。
南京航空航天大學機電學院的張秋峰[4]研究了1Cr18Ni9Ti與TC4異種金屬的固態擴散焊接工藝，在現有的基礎上採用超聲波載入固態擴散焊的工藝。金相試驗分析結果表明：採用超聲波載入擴散焊接工藝，使不鏽鋼和鈦形成了良好的連線。
哈爾濱工業大學的閆久春、孫小磊[5]等，在敞開環境下研究了一種適合複雜結構，並且能夠進行可靠連線的“超聲波振動輔助釺焊技術”原理，同時對鋁基複合材料、鋁合金、陶瓷/鋁、玻璃/鋁焊接的初步試驗結果進行了描述。焊接結果表明：在釺焊過程中，通過施加適當的超聲波振動，母材表面氧化膜可以有效地去除，進一步促進了母材與釺料的潤溼。在低溫、大氣環境下，獲得了具備微觀組織結構和力學效能良好的連線接頭。
南昌大學的朱政強等人[6]用電子背散射衍射***EBSD***方法來研究超聲波焊接下鋁合金AA6061的微觀組織變化，從微觀角度里加深對超聲波金屬焊接的理解。通過實驗，得到原始鋁箔和焊接後鋁箔的品粒取向差分佈圖。通過分析品粒取向、晶粒結構和晶界特徵瞭解超聲波焊接對鋁合金組織和結構的影響。
2.2 超聲波非金屬焊接的研究現狀
郭毓峰[7]對12μm聚對笨二甲酸乙二醇酯***PET***/30μm聚乙烯***PE***薄膜超聲波焊接工藝進行了研究，發現焊接振幅在2-10μm，對焊接接頭熱合強度的影響不大;在焊接振幅4-7μm出現了焊接接頭的熱合強度最大值。焊接接頭的熱合強度隨著焊接時間的延長和焊接壓力的增大表現出先增大後減小的變化規律。通過對不同工藝引數下焊接區域的結晶程度進行分析，其結果顯示，接頭的結晶程度影響著PET/PE薄膜焊接接頭熱合強度，焊接區域試樣的結晶程度隨著焊接時間、焊接振幅、焊接壓力增加先減小後增大，焊接接頭的熱合強度先升高後降低。
趙鋼[8]等人研究超聲波焊接在汽車感測器封裝中的應用。講述了通過對材料、焊接方法的選擇和焊口及工裝設計與製造過程設計，來實現汽車感測器封裝的方法。
趙仕彬[9]研究了超聲波焊接在聯結器中的應用。簡明扼要地介紹了超聲波焊接的原理，結合面的設計方法、設計要點，以及在聯結器中的具體應用和使用範圍。
西北工業大學的聶中明[10]研究了高電阻CdZnTe半導體***簡稱CZT***接觸電極與引線的超聲波焊接。認為：CZT晶片經機械拋光表面處理後，通過離子濺射法制備的金電極與外引線間具有較高的超聲波焊合率，能獲得最佳焊點質量的電極厚度為180nm。此外，確定CZT接觸電極製備工藝後，楔入壓力成為影響CZT接觸電極與引線超聲波焊接質量的主要因素，焊接功率則為次要因素。
3 總結
目前，對超聲波金屬的焊接機理認識不足，超聲金屬焊接作為一種固相焊接方法，或者說是金屬間的“鍵合”過程，在焊接過程中，是否無金屬熔化還有待進一步研究。還有在材料焊接中應用超聲波，雖然焊接效果比較好，但是對於由超聲波發生器、聲學系統與機械系統相結合的整個系統來說，在穩定性、可操作性、可靠性等方面依然存在問題，所以聲學系統的設計，以及聲學系統與試件之間的連線方式等都非常重要。另外，從微觀力學的角度研究超聲波振動對晶粒和織構的影響也是未來研究的重要方向。
參考文獻：
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[8]趙鋼，曹智，董雙輝.超聲波焊接在汽車感測器封裝中的應用[J].瀋陽航空工業學院學報，2007***4***：25-28.
[9]趙仕彬.超聲波焊接在聯結器中的應用[J].機電元件，2006***4***：36-39.
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篇二
超聲波焊接技術在工業產品設計中的應用探索
【摘 要】本文通過對超聲波焊接技術原理的闡述及對超聲波影響因素的探究，分析超聲波焊接技術的優劣，結合筆者的設計實踐，探索超聲波焊接技術的發展，拋磚引玉，就基於超聲波焊接技術未來的應用領域進行探索。
【關鍵詞】超聲波;焊接技術;工業產品
Ultra-sonic Welding Technology in the Application of Industrial Product Design’s Exploration
HE Jun-hua1 MA Wen-juan2 LV Shuang-shuang3 WENG Mao-hong1 GUAN Jun1 GONG Yun1
***1.School of Engineering， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China;
2.School of Agricultural and Food Science， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China;
3.School of Landscape Architecture and Architecture， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China***
【Abstract】The article through to the illustration of the principle of ultra-sonic welding and the affecting factors of ultra-sonic probe， analyseing the advantages and disadvantages of ultra-sonic welding technology， combined with the author’s design practice， explore the development of ultrasonic welding technology， topic and is based on the exploration on the application felid of ultra-sonic welding technology in the future.
【Key words】Ultra-sonic; Welding technology; Industrial product
在工業產品製作中，經常會用到一些工業材料，像塑料、金屬、木材等一些其他工業材料。在日常生活中我們經常會看到某件產品不只用一種材料來製作;我們也經常看到一件產品由多個部分組成、並且各部分之間還會產生空隙，這不僅會影響產品的質量，還會影響產品的美觀度。這就要求把它們彼此之間焊接起來。隨著技術的發展，人們對焊接技術的要求越來越高，目前傳統的焊接技術不但成本較高，而且焊接的質量不高，往往會產生細小的縫隙。因此人們希望運用新的焊接技術來提高產品的質量。
1943年，在總結前人理論和實踐的基礎上，美國的Behl發明了超聲波焊，從此推動了超聲波焊接技術的發展。由於超聲波焊接技術具有節能、無須裝配散煙散熱裝置、焊接時無須焊接附件、成本低、效率高、密封性好、易實現自動化生產等優點，超聲波焊接技術發展的越來越快。
1 超聲波焊接技術在工業產品中的應用現狀
像在航空航天、核能工業、電子工業等這樣一些精度要求很高的工業產品領域中，使用傳統的焊接技術很難達到技術要求，而且成本高、效率低。目前，超聲波焊接技術在各行各業都有廣泛的應用，像醫療機械、包裝、五金等行業;能焊接的產品也很多，像汽車零部件、光學鏡頭、U盤等。
2 超聲波焊接技術的原理和特點
超聲波是一種頻率高於20000赫茲的聲波，因此能量大。超聲波焊接是利用超聲波頻率***超過20000赫茲***的機械振動能量，連線同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法[1]。超聲波作用於熱塑性的塑膠表面時，會產生每秒上萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲波能量傳到焊區，又由於焊區即兩個焊接的交介面處聲阻比較大，因此會產生區域性高溫。又由於塑料製品導熱性差，一時還不能及時散發出聚集的能量，因此能量就會聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定的壓力後，就會使其融合成為一體。當超聲波停止作用後，讓壓力再持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，從而達到焊接的目的。在對金屬進行超聲波焊接時，既不向工件輸送電流也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力作用之下，將彈性振動能量轉變為工件介面間的摩擦功、形變能及有限的溫升，使得焊接區域的金屬原子被瞬間啟用，兩相介面處的分子相互滲透，最終實現金屬焊件的固態連線。其焊接原理示意圖如圖1所示[2]。
2.1 超聲波焊接技術的優點
與傳統焊接技術相比較，超聲波焊接技術有如下優點：***1***焊接速度快、焊接精度高、焊接焊點強度高;***2***焊接範圍廣、穩定性好、被焊接後的工件變形很小;***3***焊接物表面清潔美觀、平整光滑;***4***焊接時，不需新增焊接劑，對被加工物不產生汙染、不產生有害氣體，因此是一種環保的焊接方法;***5***焊接時，只需提供較小的動力即可進行焊接，耗能低;***6***操作簡單、成本低、效率高、密封性好。
圖1 超聲波金屬焊接原理示意圖
2.2 超聲波焊接技術的缺點
儘管超聲波焊接技術有很多的優點，但也存在不足之處，因此不得不加以重視。超聲波焊接技術有如下缺點：***1***對超聲波焊接機理的認識還不夠全面;***2***對金屬進行焊接時，焊件不能太厚;***3***對超聲波焊接技術的影響因素比較多，不易進行把握分析和總結;***4***製造一些大功率的超聲波焊接機成本高、而且比較困難;***5***對焊接好後的工件進行焊接處質量檢測比較困難，因此給大批量生產帶來阻礙。 3 影響超聲波焊接質量的因素
雖然超聲波焊接技術有眾多優點，但其焊接質量與熔融量、材料的材質等因素有關，概括起來主要包括以下幾方面的因素，如圖2所示。
圖2 影響超聲波焊接質量的因素
***1***焊接材料的材質：一般來說焊接質量與材料的物性和材料的改性有關。材料的物性包括材料的彈性模量、摩擦係數、熱導率、熔點等。物件的焊接質量與材料的彈性模量、摩擦係數、熱導率成正比，與其密度、熔點成反比。材料的改性指的是在適宜的工藝條件下加入一些填料以改善材料的原有效能，使其滿足客戶的使用要求。在適宜的工藝條件下加入一些效能相近的材料，可以提高焊接接頭強度。
***2***焊頭與焊件的接觸面：焊接面的清潔度、材料表面的粗糙度會影響焊件的焊接質量。增加材料的表面粗糙度可以提高焊接質量;焊接面的清潔度越高，焊接質量也越高。
***3***其他因素：焊接技術的工藝引數、焊接件的結構、連線形式、焊接時的熔融量、超聲波的功率等。為達到最佳的焊接效果，在產品研發階段，要對這些因素進行綜合考慮。
4 超聲波焊接技術在工業產品設計中的應用案例
正如以上所述，基於超聲波焊接技術的產品研發，先要進行綜合考慮影響焊接質量的因素，然後結合產品的市場前景，產品的成本，生產技術要求等條件，合理生產設計要素。
下面僅就一個設計案例――美國蘋果公司發明的超聲波塑料與金屬焊接專利技術進行解讀，從實踐的角度來理解超聲波焊接技術在實際中的應用。原有技術的不足：在還沒有發明這項專利技術之前，所有的行動式裝置***如手機***不能將金屬與塑料進行融合，因此某些部件不能用塑料部件來代替，這樣生產出來的手機不僅厚重、外形呆板而且缺少個性，設計上也不夠自由、缺少靈活性。並且製作成本高、操作複雜、使用不方便，按鍵操作過多時，會接觸不靈。解決案例：採用全新的超聲波塑料與金屬焊接技術，在手機內部某些部件使用塑料材質，減輕了手機的重量的同時也減少了金屬的使用量。在殼體方面採用一次成型工藝，使外殼更加簡約、流暢，操作簡單，設計靈活，給人一種高階、大氣的感覺。先進的超聲波焊接技術一般還要使用多種材料融合的技術工藝，設計更加的自由和靈活，設計線條採用極簡主義的風格，色彩上運用淺色，給人輕鬆、愉悅的感覺。在結構上更符合超聲波焊接工作原理，使焊接質量更佳。
5 針對超聲波焊接技術應用的案例得出的結論和展望
通過這次調研，作者通過對超聲波焊接技術的瞭解，對超聲波焊接技術應用進行研究，由於條件有限，在調查研究過程中還有不足之處，在此將在調研過程中涉及到的問題及解決辦法總結一下，為後面進一步研究做鋪墊。針對焊接質量的問題，我們得出在焊接時應保持接觸面清潔和材料表面的粗糙度。要了解使用者需求，針對特定的使用者進行設計，設計出多種不同的外觀形態，為不同的客戶量身打造;在設計時還應該考慮情趣化的問題，設計出更加有情趣化的產品，營造輕鬆愉悅的環境。針對超聲波焊接技術在產品設計中的展望，作者經過探索發現可以在工作時增加音樂播放功能，使焊接過程輕鬆、愉快。未來的超聲波焊接技術也將更加的人性化。
【參考文獻】
[1]關長石，費玉石.超聲波焊接原理與實踐[J].機械設計與製造，2004***6***.
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