超声波金属焊接

1金属焊接大作业题目名称：超声波焊接的发展及展望学生姓名：院(系)：专业班级：学号(序号)：2目录一、摘要...................................................................................................................2二、超声波金属点焊接原理及特点..............................................................................21.超声波金属焊接的优点..........................................................................................22.超声波金属焊接的不足..........................................................................................33.影响超声波金属焊接质量的主要因素....................................................................3三、国内外研究现状....................................................................................................41.研究现状国内.........................................................................................................42.国外研究现状.........................................................................................................5四、制约国内超声波金属焊接技术发展的几个关键因素......................................................7五、超声波金属焊接技术今后发展方向...............................................................................7六、参考文献.......................................................................................................................83摘要:介绍了超声波焊接技术的基本原理、目前的发展状况，对目前国内外金属超声波焊接设备进行了简要介绍，对国内相关领域的发展进行了总结，分析了目前制约金属超声波焊接技术的关键因素和解决的对策，并对超声波技术的发展趋势进行了展望。关键词:超声波焊接；发展状况；发展趋势Thebasicprinciplesofultrasonicweldingtechniqueandthepresentresearchstatuswerepresented,themetalultrasonicweldingapparatusathomeandabroadwerebrieflyintroduced,andthedomesticdevelopmentsintherelevantmetalultrasonicweldingareasweresummarized.Moreover,thekeyfactorsthatcurrentlyaffectmetalultrasonicweldingandthesolutionstotheseissueswereanalyzed,thedevelopmenttendencyofultrasonicmetalweldingtechniqueswaspointedoutattheend.Keywords:ultrasonicwelding;developmentstatus;developmenttendency超声波金属焊接还在电子工业、电器制造、新材料的制备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术方面都有很广泛的应用，量比电流焊接少得多，超声波邦定作为超声波金属焊接的一种小功率应用，常用于晶体管或集成电路引线的焊接。当用于药物和易爆材料的密封焊时，能避免一般的焊接方式因有溶解物等造成对药品的污染，不会因受热或产生火花而引发爆炸。对于我国建设资源节约型、环境友好型的现代化社会，超声波金属焊接将发挥很大的促进作用。1超声波金属焊接原理及特点超声波金属焊接原理超声波金属焊接是在19世纪30年代偶然发现的。当时在做电流点焊电极加超声振动试验时，发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清楚。它类似于摩擦焊，但有区别，超声波焊接时间很短，局部焊接区温度低于金属的再结晶温度；它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小得多。一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动除去金属表面的氧化物，并使粗糙表面的突出部分产生反复的微焊、变形和破坏而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件的界面处产生塑性变形。在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。目前较为公认的一种对超声波金属焊接原理的解释为:焊接金属材料时，由超声波发生器产生超生频率振动电流，再由换能器利用逆压电效应使之转换成弹性机械振动能，并通过声学系统向焊件输入。两被焊工件的接触界面在静压力和弹性振动能量的共同作用下，通过摩擦、温升和变形，使氧化膜或其他表面附着物被破坏，并使纯净界面之间金属原子无限接近，产生结合与扩散，实现可靠连接。1．1超声波金属焊接的优点①超声波金属焊接压力小，能耗低，且能焊接异种金属材料。基于这些特点，可通过综合利用超声波金属焊接技术和数控铣削技术来使金属零件快速成形，并在成形过程中埋入功能器件来制作智能金属基复合材料等。②金属超声波焊机可进行点焊、连续焊，其焊接速度快。在应用范围方面，即使材料间的物理性能相差悬殊，也能很好地焊接；还可进行其他方法无法奏效的金属箔片、细丝、微小的器件及厚薄悬殊、多层金属片的焊接。③超声波金属焊接焊点强度高，且其稳定性好，具有高抗疲劳强度特征。④焊接过程无需采用水冷和气体保护，被焊工件的变形很小，焊接完成后工件无需进行退火等热处理。超声波金属焊接过程本身包含着对焊接件表面氧化层的破碎清理作用，焊面清洁美观，无需像其他焊接方法那样进行焊后清理。⑤金属的超声波焊接不用焊条，焊接区不通电，不直接对被焊金属加热。焊接同一工件金属，与焊条电弧焊、气焊相比，超声波焊能耗要小得多。4⑥由于不需要添加焊剂，不污染被加工物，不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染，因而是一种节能环保焊接方法。⑦由于超声波发生器是功率电子线路，易于实现电气控制，能很好地与计算机配合进行焊接控制，从而达到高精度的焊接，并且易于实现焊接的信息化和自动化。1．2超声波金属焊接的不足①把超声波应用于金属材料焊接中，虽然可以得到很好的焊接效果，但是超声波发生器和声学系统与机械系统相结合的整个系统，其稳定性、可操作性、可靠性等方面还存在问题。所以声学系统（换能器、变幅杆、连接部分）的设计，以及声学系统与试件的连接方式等，都是十分关键的问题。②对金属超声波焊接机理的认识不足。超声金属焊接是否无金属熔化，仅仅是一种固相焊接方法，或者说是金属间的“键和”过程，还有待进一步研究。③超声波金属焊接影响工艺参数因素较多，不易进行总结。④由于焊接所需的功率随工件厚度及硬度的提高而呈指数增加，而大功率超声波焊机的制造困难，且成本很高。随着焊接功率的进一步提高，不仅在声学系统的设计及制造方面将会面临一系列较难解决的问题，而且未必能取得预期的工艺效果。因此目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件。⑤超声波焊机的“开敞性”比较差，工件的伸入尺寸也不能超过焊接系统所允许的范围。接头形式目前只限于搭接接头。⑥焊点表面容易出高频机械振动而引起边缘的疲劳破坏，对焊接硬而脆的材料不利。⑦目前来讲，对超声波焊接的焊接质量的检测还是比较难做的，无损检测设备还没有普及，常用方法无法用来监控，这也给大批量生产造成一定困难。1.3影响超声波金属焊接质量的主要因素(1)振幅:振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数[9]，不同的换能器输出的振幅也不同，同一换能器也可以通过配置不同的变幅杆及焊头来改变焊头的工作振幅，以满足对不同材料的焊接要求。通常的换能器的输出振幅为5~20滋m，而工作振幅一般为10~30滋m左右，工作振幅同换能器输出振幅﹑变幅杆及焊头的形状，前后面积比等因素有关。(2)频率:任何的超声波焊接机都有一个中心频率，例如20、40kHz等，焊接机的工作频率主要由超声波换能器(Transducer)、超声波变幅杆(Booster)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定。超声波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，每一个部分都设计成一个半波长的整数倍谐振体。超声波发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围。以20kHz为例，谐振工作范围一般设定为(20依0.3)kHz，在此范围内焊接机基本都能够正常工作。制作每一个焊头时都会对谐振频率做调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1kHz。目前超声波金属焊接所用的频率通常为20kHz，实际上焊头的频率一般会控制在19.90~20.10kHz，误差小于5‰。(3)节点:焊头、超声波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，所以固定位并不一定为零振幅，这样就会引起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，或采用降振结构设计进行屏蔽，能量损失在设计振幅参数时应充分考虑。橡胶圈被称为软固定，降振结构设计一般被称为硬固定。在超声波金属焊接里，通常会采用硬固定结构，硬固定结构还有端面固定模式。(4)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焊接位。网纹设计一般有方形、菱形、条形网纹，网纹的大小与深浅根据具体的焊接材料要求来确定。5(5)电源:金属焊接装置使用的超声波电源和供塑料焊接装置使用的超声波电源没有很大的区别。特殊性在于焊接金属具有更高的要求，为了满足金属焊接的需要，必需使用智能化的超声波电源-超声波发生器。超声波发生器具有频率自动跟踪系统，在焊接过程中负载变化及温升发生变化会引起振动系统谐振频率的改变，因此，要求超声波发生器要跟踪振动系统的频率，使发生器和振动系统之间一直处于谐振状态，频率自动跟踪系统能够补偿在焊接过程中出现的工作状态改变，使系统重新处15HotWorkingTechnology2015,Vol.44,No.15于谐振状态并保正焊接参数的稳定，重点是振幅的稳定，这对于金属焊接具有非常重要的意义。(6)换能器:供金属超声波焊接装置使用的换能器和供塑料超声波焊接装置使用的换能器没有很大的区别，特殊性在于焊接金属材料具有更高的质量要求，因为在焊接金属材料时往往需要很大的瞬间功率，要求换能器有高的功率容量和低的阻抗，因此用于塑料超声波焊接装置的小功率换能器不能用于金属的超声波焊接。2国内外研究现状2．1国内研究现状国内对超声波金属焊接工艺的研究主要集中在超声波点焊的试验研究方面。许多学者对超声波焊接能否达到金属熔点形成一致看法：超声波焊接是固相连接，只能达到金属熔点的35％～50％。而华南理工大学机械工程