超声波焊接手册.doc

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1、.0《焊接手册》第一册第31章超声波焊接作者齐志扬审者李致焕31．1概述超声波焊是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量在静压力的共同作用下，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件引入高温热源，只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后有限的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的，因而是一种固态焊接。31.1.1工作原理典型的超声波焊接系统见图31-1图31-1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-

2、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-弯曲振动方向由上声极传输的弹性振动能量是经过一系列的能量转换及传递环节产生的，这些环节中，超声波发生器是一个变频装置，它将工频电流转变为超声波频率（15~60KHz）的振荡电流。换能器则利用逆压电效应转换成弹性机械振动能。传振杆、聚能器用来放大振幅，并通过耦合杆上声极传递到工件。换能器、传振杆、聚能器、耦合杆及上声极构成一个整体，称之为声学系统。声学系统中各个组元的自振频率，将按同一个频率设计，当发生器的振荡电泫频率与声学系统的自振频率一致时，系统即产生谐振（共振），并向

3、工件输出弹性振动能。31.1.3超声波焊的机理超声波焊焊缝的形成主要由振动剪切力、静压力和焊区的温升三个因素所决定。综观焊接过程，超声波焊经历了如下三个阶段。（1）摩擦：超声波焊的第一个过程主要是磨擦过程，其相对磨擦速度与磨擦焊相近只是振幅仅仅为几十微米。这一过程的主要作用是排除工件表面的油污、氧化物等杂质，使纯净的金属表面暴露出来。（2）应力及应变过程：从光弹应力模型中可以看到剪切应力的方向每秒将变化几千次，这种应力的存在也是造成磨擦过程的起因，只是在工件间发生局部连接后，这种振动的应力和应变将形成金属间实现冶金结合的条件。在上述两个步骤中，

4、由于弹性滞后，局部表面滑移及塑性变形的综合结果使焊区的局部温度升高。经过测定，焊区的温度约为金属熔点的35%-50%（3）固相焊接：用光学显微镜和电子显微镜对焊缝截成所进行的检验表明，焊接之间发生了相变，再结晶、扩散以及金属间的键合等冶金现象，是一种固相焊接过程。31.1.4特点及应用范围由于固态焊接不受冶金焊接性的约束,没有气、液相污染,不需其他热输入(电流)，几乎所有塑性材料均可以焊接外，还特别适合于：物理性能差异较大（如导热、硬度）、厚度相差较大的异种材料的焊接，对于高热导率、高电导率材料（如金、银、铜、铝等）是超声波焊最易于焊接的材料。

5、由于超声波焊所需功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增。因此，还多用于片、箔、丝等微型、精密、薄件的搭接接头的焊接。31.1.2焊接设备超声波点焊机的典型结构组成见图31-6，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31-6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31.2.1超声波发生器超声波发生器用来将工频（5

6、0HZ）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。有些发生器还装有恒幅控制器，以确保声学系统的机械振幅保持恒定

7、。这时选择合适的振幅传感器将成为技术关键。最近几年出现的晶体管逆变式发生器使超声波发生器的效率提高到95%以上，而设备的体积大幅度减小。31.2.2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.压电换能器的最主要优点是效率高和使用方便,一般效率可达80%-90%,它是基于逆压电效应。石英、锆酸铅、锆钛酸铅等压电晶体，在一定的结晶面受到压力或拉力时将会出现电荷，称之为压电效应，反之，当在压电轴方向馈入交变电场时，晶体就人沿着一定方向发生同步的伸缩现象，即逆压电效应，。压电换能器

8、的据点是比较脆弱，使用寿命较短。磁致伸缩换能器是依靠磁致伸缩效应而工作。当将镍或铁铝合金等材料置于磁场中时，作为单元铁磁体的磁畴将发生有序化运动。并引