超声波金属焊接基础知识

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一、超声波金属焊接基础知识
- j5 M  t( ^, L% k1、 原理
超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、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。
2、焊接优点：
: J. V4 W. u, W' A$ @' P1）焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。
2）焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。
- u; t$ S3 [4 R- x& b4 w: z/ a3）对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。
4）焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。
; |0 s6 L9 t0 \1 X; w$ O" w5）焊接无火花，环保安全。
3、超声波金属焊接适用产品：
1）镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔。
  s3 j# l5 h. r- a/ P( R2）锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。
! |& L/ E6 v1 Q3）电线互熔，偏结成一条与多条互熔。
4）电线与名种电子元件、接点、连接器互熔。
5）名种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔。
6）电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。
7）金属管的封尾、切断可水、气密。
( B8 H  b: m: m& J: [4、振幅参数
振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数，相当于铬铁的温度，温度达不到就会熔接不上，温度过高就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。因为每一间公司选择的换能器不同，换能器输出的振幅都有所不同，经过适配不同变比的变幅杆及焊头，能够校正焊头的工作振幅以符合要求，通常换能器的输出振幅为10—20μm，而工作振幅一般为30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状，前后面积比等因素有关，形状来说如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等，对变比影响很大，前后面积比与总变比成正比。贵公司选用的是不同公司品牌的焊接机，最简单的方法是按已工作的焊头的比例尺寸制作，能保证振幅参数的稳定。
& ?1 I2 D+ R# j2 t6 D0 y! Z* r5、频率参数
% s% M# h8 p9 R: ^任何公司的超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、40 KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器（Transducer）、变幅杆（Booster）、和焊头（Horn）的机械共振频率所决定，发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围，如一般设定为±0.5 KHz，在此范围内焊接机基本都能正常工作，我们制作每一个焊头时，都会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在19.90—20.10 KHz，误差为5‰。
7 b9 i- V0 Y. M& f  H5 |, `  e2 K/ t% t6、节点
. h. c! h  ^6 T+ Y6 T$ l+ c焊头、变幅杆均被设计为一个工作频率的半波长谐振体，在工作状态下，两个端面的振幅最大，应力最小，而相当于中间位置的节点振幅为零，应力最大。节点位置一般设计为固定位，但通常的固定位设计时厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定为零振幅，这样就会引致一些叫声和一部分的能量损失，对于叫声通常用橡胶圈同其它部件隔离，或采用隔声材料进行屏蔽，能量损失在设计振幅参数时予以考虑。
7、网纹
5 l  V) K1 `7 b- j超声波金属焊接通常会在焊接位表面，底座表面设计网纹，网纹设计的目地在于防止金属件的滑动，尽可能将能量传递到熔接位。网纹设计一般有方形、菱形、条形网纹。黄金手饰等金属包覆焊头与底座根椐要求不能设计纹路，网纹的大小与深浅根据具体的焊接材料要求来确定。
8、加工精度
/ ]& J' k2 e, ^( t$ [- }超声波焊头因为工作于高频振动情况下，应尽量保持一个对称设计，以避免声波传递的不对称性导致的不均衡应力及横向振动（我们所用于焊接的焊头利用的是超声波振动的纵向传递，对于整个谐振系统而言），不均衡振动能导致焊头发热及断裂。超声波焊接应用于不同行业对加工精度要求是不同的，对于特别薄的工件如锂离子电池极片与极耳的焊接、金箔等的包覆等对加工精度的要求非常高，我们所有的加工设备均采用数控设备（如加工中心等），这样才能保证加工出来的精度符合要求。
1 k/ }1 I( \) [4 ~! V5 Q% v9、使用寿命
9 s3 p$ n# T8 S. l7 d6 @, ~一只焊头的使用寿命关键决定于两个方面：一、材料，二、工艺
材料方面：超声波焊接要求金属材料有柔顺性好（声波传递过程中机械损耗小）好的特点，所以最常用的材料为铝合金及钛合金，但超声波金属焊接要求焊头耐磨损（要求较高的硬度），使材料的选择变得比较困难，因为硬度和韧性似乎是天生对立的，这就要求我们选择非常高要求的材料，我们选择的优质钢村料能够比较好地解决这个矛盾，使焊头的有效寿命尽量地提高。
/ [/ o5 x7 X* [4 l工艺方面:包括有加工工艺及后续处理工艺，加工工艺在前面已详细描述过，后续处理包括热处理及参数的修整，基于我公司选择的材料，我们有独创的热处理工艺去保证；在每一个焊头制作完成后，单独都要进行参数的测定及调整，以保证出品。
/ J: `' j+ Q; j5 Z# r1 G; B10、金属相熔性
上图互熔性谨供参考，具体应以实验为准

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二、故障分析
1、发热
3 f1 j1 c- u! W焊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及焊件发热传导所致。焊头发热是否正常判断标准为不带负载（即不接触工件）时，连续发射超声波半小时以上，温度不能够超过50-70℃，如发热历害，证明焊头已损坏或材料不合格，需要更换。
, u+ a! E% V+ B: G7 Y" y2、啸叫
当焊头工作时出现啸叫时，应分析以下原因：
① 安装螺丝是否已松动
3 }+ n& G1 |1 u% |0 \2 [1 x6 B② 焊头是否产生裂纹
③ 焊头是否和不应接触的物件相接触。
2、过载
6 i  X7 |  G+ E+ {2 ^4 i" S当发生器发出过载警报时，应按如下步骤进行检查：
①空载测试，如工作电流正常，则可能是焊头接触到不应接触的物件或焊头与焊座之间的参数调节出现故障。
②空载测试不正常时，应首先观察焊头是否有裂纹，安装是否牢固，然后拆下焊头再进行空载测试，排除是否是换能器＋变幅杆出现问题，一步步进行排除。排除掉换能器＋变幅杆出现故障的可能性后，将新的焊头拆换以判断。
6 [/ P% ]# N$ s9 O& h③有时会出现空载测试正常，而不能正常工作的情况，有可能是焊头等声能原件内部发生变化，导致声能传递不畅，这里有一个比较简单的判断方法：手触摸法。正常工作的焊头或变幅杆表面工作时振幅是非常均匀的，手摸上去是丝绒般的顺滑，当声能传递不畅时，用手摸上去会有气泡或毛刺的感觉，这时就要采用排除法去排除有问题的部件。发生器不正常时，也能产生同样的情况，因为正常来说检测换能器输入波形时应为顺滑的正弦波，当正弦波上有尖峰或不正常波形时也能产生这种现象，这时可以用另外一整枝声能元件替换以判别。

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真涨见识了，觉得这种焊接方法只限于特殊要求的情况下，并不适于一般的焊接生产，楼主能否弄两张图片说明一下？