超声波金属焊接机工作原理

超声波金属焊接机

超声波金属焊接机工作原理

把高频电能通过超声波换能器转换成机械振动能，直接传导到超声波金属焊接机焊头上，作用于两个需要焊接的金属表面并产生高频摩擦，在加压的情况下，使两个金属表面相互主频摩擦造成生热凝聚而熔接。能对铜裸露线进行并线焊接，超声波焊接过程是一个机械过程，无电流通过工件，无熔化出现。其电性能和热性能是其他工艺所达不到的。因此对有色金属材料来说，无疑是一种理想的金属焊接系统。特别是铝、镍、铜、银等细、薄材料进行单点、多点、方形、条形、单层、多层、复合焊接起到理想效果。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，也在于超声焊接消耗低、寿命长、劳动强度低。

技术参数：

超声波金属焊接机焊接阶段

　　（1）振动摩擦阶段：超声波金属焊接的第一个过程主要是摩擦过程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为几十微米。这一过程的主要作用是排除焊件表面的油污、氧化物等杂质，使纯将的金属表面暴露出来。焊接时，由于上声极的超声波振动，使其与上焊件之间产生摩擦而造成暂时的连接，然后通过它们直接将超声波振动能传递到焊件间的接触表面上，在此产生剧烈的相对摩擦，由初期个别凸点之间的摩擦逐渐扩大到面摩擦，同时破坏、排挤和分散表面的氧化膜及其他附着物。  

　　（2）温度升高阶段：在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升高（焊区的温度约为金属熔点的35％～50％），变形抗力下降，在静压力和弹性机械振动引起的交变节应力的共同作用下，焊件间接触表面的塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。  

　　（3）固相接合阶段：随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接触部分的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至形成涡流状的塑性流动层，出现焊件间的机械咬合。焊接初期咬合点较少，咬合面积也较少，接合强度不高，很快被超声波振动所引起的切应力所破坏。随着焊接过程的进行，咬合点数和咬合面积逐渐增加，当焊件之间的结合力超过上声极与上焊件之间的结合力时，切向振动不能切断焊件之间的结合，形成牢固的接头。

超声波金属焊接机设备图片

超声波金属焊接机焊接优点

1、高可靠性：通过时间、能量、功率和高限监测，保证优秀的过程控制；

2、节约成本：避免了消耗品如焊料、焊剂、折弯和黄铜材料，使超声波焊接成为有最佳经济效益的过程；

3、能耗低：超声焊接所需能量不到电阻焊的1/3；

4、工具寿命：超声工具是用高质量工具钢精加工得到，具有优异的抗磨损性能，易安装、焊接精度高；

5、高效率与自动化：典型的焊接速度不超过0.5秒，尺寸小，保养工作量少，适应性强，使超声波设备成为自动化装配线的首选；

6、低工作温度：由于超声焊接不产生大量的热，所以它不会使金属工件退火、不会使塑料壳熔化，也不需要冷却水；

7、除绝缘皮：在大多数情况下，超声焊接的高频摩擦使人们无需剥去漆包线的绝缘皮或对工件表面进行预先清理；

8、异种金属焊接：对于不同类或同类金属（如铜+铜或铝+铜）有极好的焊接渗透混合效果；

9、设备特点：它通过对时间、能量、限位、频率等进行检测、保证焊接精度，垂直（非扇形）加压系统，焊后平面高度均匀、调节简单。

超声波金属焊接机设备特点

    1、整机一体便携式设计，体积小、重量轻、外形美观，使用简便；

    2、操作容易，内置电子保护电路，使用安全，用于金属的同类焊接，能对有色金属实施单点或多点焊接；

    3、拥有自主知识产权金属焊接焊头，媲美世界名牌，保证焊接一致性并延长焊头寿命，降低企业使用成本； 

    4、轻便紧凑的设计可使得机器既可放置在台架上工作，也可安装到自动化生产线上；

    5、自动检测每次焊接过程，保证能量、时间、焊接高度等实际焊接参数在预先设定的范围之内；

    6各类型焊接模具、点焊焊头、焊接底座都为自主设计，达到一流水平，焊接效果优良；

    7、焊头可无级调整焊头下降速度和压力，以保证工具头的最佳焊接位置和运动；

    8、先进的超声波控制箱，其微处理器控制模块可确保实现最好的焊接效果，并提供测试、报警、计数等功能。

超声波金属焊接机应用领域

   电池焊接方面：镍氢电池镍网与镍片、镍氢电池镍片与镍片、镍锌电池极片极耳、聚合物电池铜箔与镍片、锂电池铜箔与铝片、锂电池铝箔与铝片、锂离子电池铝壳与铝镍复合带、聚合物电池铝箔极耳、动力电池正负极、镍镉电池极片极耳、电池极耳与铝盖板等。

    金属焊接方面：电线与电子元件、铝带与铝盖焊接、镍带与铜箔多点焊接、铝带与铝箔条形焊接、镍带与铜箔多层焊接、铝壳与铝镍复合带焊接、镍带与铜箔多层焊接、铝带与铝箔多层焊接、厚铜片与铝板焊接、稀有金属电接头焊接等。

    超声波锂电池铝箔与铝片金属焊接机适合于铝、镍、铜、银等细、薄材料进行单点、多点、方形、条形、单层、多层、复合焊接，尤其是金属箔、薄片、细导线的加密焊接。如：汽车接线端子、铜编织线、多层铝片、汽车线束、马达端子、热电偶、可控硅元件 、制冷器电解、电容极片、碳刷片、散热架片、铜管、铜管+铝片、铜管+铜片、编织铜线压型、安全气囊、电容器引出瑞子、电器开关银触点、电机引出端、发动机引出端、电器接插件、电子元器件、端子与线缆、转子整流器、马达线圈等。涉及五金、电池、电子、汽车、电机、电器、太阳能、机械等行业。

超声波金属焊接机设备性能

1、焊接方面：两被焊接物体重叠，经超声振动加压接合成固态形式，接合时间短且接合部分不产生铸造组织（粗糙面）缺陷。 

2、模具方面：超声焊与电阻焊方法比较，模具寿命长，模具整修与替换时间少，而且易于实现自动化。 

3、能耗方面：同种金属不同种金属之间均可以进行超声焊接，与电气焊相比耗费能量少得多。

4、压焊对比：超声焊与其他压焊相比，要求压力较小，且变型量在10%以下，而冷压焊其工件变形量达40%-90%。

5、焊接处理：超声焊接不像其他焊接那样要求进行被焊表面的预处理及焊后的后处理。 

6、焊接优势：处理超声焊接无需助焊剂、金属填料、外部加热等外部因素。

7、焊接效果：超声焊接可以使材料的温度效应降到最低（焊区的温度不超过被焊金属绝对熔化温度的50%），从而不使金属结构变化，因此很适合电子领域中的焊接应用。

超声波金属焊接机技术要求

　　1、高功率容量、稳定的超声波发生器：

 　　稳定的超声波发生器首先要求为：频率自动跟踪。频率自动跟踪能保证换能器系统能工作在谐振状态，即焊头振幅的最大化。采用频率自动跟踪技术，更换模具及工作时无须调频，才是用于金属焊的基本要求。有可调电感手动调频率的设备，基本都满足不了要求。

 　　稳定的超声波发生器还要要求：恒振幅功能及振幅的无级可调。恒振幅功能，它能保证焊接的一致性，为稳定生产的关键；振幅的无级可调是保障设备用途的基本，例如在同一设备上通过参数调整既能焊铜，也能焊铝材料。

 　　高功率容量：金属焊相对于塑料焊，要求高的能量密度，必然有相对高的功率容量，如20kHz的机器，基本上要求3000W以上的功率容量。很多公司对于功率容量经常出现虚假标称，那我们只需和他们所做的塑料焊机比较一下即可，因为塑料焊机标称太高是无人信的。

 　　2、高品质焊头：金属焊作为工业用途，必然要求高寿命的焊头。

 　　3、高品质换能器：如20kHz的换能器，必须能长期承受3kw以上负载。很多公司的换能器，用普通塑料焊的换能器，外观上很难分辨，这是不负责任的做法。

 　　4、优质控制系统：具有焊接能量、时间、高度三种基本控制模式，多种质控软件满足不同需求。

超声波金属焊接设备基础知识

　　一、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。

 　　二、频率参数

 　　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‰。

 　　三、节点

 　　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。

 　　四、网纹

 　　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。

 　 五、加工精度 

　　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。

 　 六、使用寿命

 　 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。

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。

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