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，連接同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法。這是學習啦小編為大家整理的超聲波焊接技術論文，僅供參考!

　　超聲波焊接技術論文篇一

　　超聲波焊接的研究與展望

　　摘要：超聲波焊接的節(jié)能、環(huán)保、操作方便等突出優(yōu)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(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，并對超聲波焊接的發(fā)展做了展望。

　　關鍵詞：超聲波 焊接 研究現(xiàn)狀

　　0 引言

　　1950年美國人發(fā)明了超聲波焊接技術，該技術作為特種連接技術，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。另外，超聲波焊接技術還廣泛應用于電子工業(yè)、電器制造、新材料的裝備、航空航天及核能工業(yè)、食品包裝盒、高級零件的密封技術等方面。超聲波焊接的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：節(jié)能、環(huán)保、操作方便，這種技術對我國建設資源節(jié)約型、環(huán)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(大于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接。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(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能，以及有限的溫升等。在母材不發(fā)生熔化的情況下，實現(xiàn)接頭間的冶金結合，因此，超聲波焊接屬于固態(tài)焊接。

　　工頻電流在超聲波發(fā)生器的作用下，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡l率(15～16KHZ)d的振蕩電流。通過磁致收縮效應，換能器將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機械振動能。放大器的作用是對振幅進行放大，同時借助耦合桿和上聲極與并工件進行耦合。如果換能器、放大器、耦合桿和上聲極的自振頻率相互一致，在這種情況下，系統(tǒng)將會產(chǎn)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(zhuǎn)換被粘接在一起。

　　2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　2.1 超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)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(zhì)量穩(wěn)定的重要因素是諧振頻率的精度。在超聲波焊接過程中，由于機械負荷是多變的，失諧現(xiàn)象會隨機出現(xiàn)，進而使得焊點質(zhì)量不穩(wěn)定。根據(jù)超聲波焊的特點，制訂相應的焊接規(guī)范。大量實驗證明：通過超聲波對鋁及鋁合金進行焊接，金屬表面致密的氧化膜可以有效地去除，進而保證了焊接質(zhì)量。

　　華南理工大學楊圣文等人[3]推導了銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接接頭區(qū)域理論區(qū)域溫度公式，并利用人工熱電偶法測得焊接區(qū)域溫度，分析了實測溫度偏差產(chǎn)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：超聲波焊接是基于接頭區(qū)域微齒頂端處高溫、純凈金屬發(fā)生塑性變形后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(tài)擴散焊接工藝，在現(xiàn)有的基礎上采用超聲波加載固態(tài)擴散焊的工藝。金相試驗分析結果表明：采用超聲波加載擴散焊接工藝，使不銹鋼和鈦形成了良好的連接。

　　哈爾濱工業(yè)大學的閆久春、孫小磊[5]等，在敞開環(huán)境下研究了一種適合復雜結構，并且能夠進行可靠連接的“超聲波振動輔助釬焊技術”原理，同時對鋁基復合材料、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：在釬焊過程中，通過施加適當?shù)某暡ㄕ駝?，母材表面氧化膜可以有效地去除，進一步促進了母材與釬料的潤濕。在低溫、大氣環(huán)境下，獲得了具備微觀組織結構和力學性能良好的連接接頭。

　　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后鋁箔的品粒取向差分布圖。通過分析品粒取向、晶粒結構和晶界特征了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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。通過對不同工藝參數(shù)下焊接區(qū)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(qū)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后增大，焊接接頭的熱合強度先升高后降低。

　　趙鋼[8]等人研究超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應用。講述了通過對材料、焊接方法的選擇和焊口及工裝設計與制造過程設計，來實現(xiàn)汽車傳感器封裝的方法。

　　趙仕彬[9]研究了超聲波焊接在連接器中的應用。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，以及在連接器中的具體應用和使用范圍。

　　西北工業(yè)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(jīng)機械拋光表面處理后，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(zhì)量的電極厚度為180nm。此外，確定CZT接觸電極制備工藝后，楔入壓力成為影響CZT接觸電極與引線超聲波焊接質(zhì)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，但是對于由超聲波發(fā)生器、聲學系統(tǒng)與機械系統(tǒng)相結合的整個系統(tǒng)來說，在穩(wěn)定性、可操作性、可靠性等方面依然存在問題，所以聲學系統(tǒng)的設計，以及聲學系統(tǒng)與試件之間的連接方式等都非常重要。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：

　　[1]李小明，李彥生，韓景蕓.基于超聲波焊接技術的快速成型方法研究[J].機床與液壓，2007，35(3)：4-6.

　　[2]崔巖.超聲波焊在坦克鋁件維修中的應用[J].工業(yè)技術經(jīng)濟，2000，19(3)：114-116.

　　[3]楊圣文，吳澤群，陳平池.銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接試驗研究[J].焊接，2005(9)：32-35.

　　[4]張秋峰.鈦與不銹鋼的超聲波擴散焊接[J].機械工程與自動化，2008(1)：125-127.

　　[5]閆久春，孫小磊.超聲波振動輔助釬焊技術[J].焊接，2009(3)：6-12.

　　[6]朱政強，馬國紅，E.Ghassemieh.鋁合金AA6061超聲波焊接下組織演變分析[A].第七屆中國機器人焊接學術與技術交流會議文集[C]，2008：107-110.

　　[7]郭毓峰.聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超聲波焊接[J].宇航材料工藝，2010(4)：53-55.

　　[8]趙鋼，曹智，董雙輝.超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應用[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2007(4)：25-28.

　　[9]趙仕彬.超聲波焊接在連接器中的應用[J].機電元件，2006(4)：36-39.

　　[10]聶中明，傅莉，任潔，查鋼強.CdZnTe接觸電極與引線的超聲波焊接[J].中國有色金屬學報，2009，19(5)：919-923.

　　超聲波焊接技術論文篇二

　　超聲波焊接技術在工業(yè)產(chǎn)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(yōu)劣，結合筆者的設計實踐，探索超聲波焊接技術的發(fā)展，拋磚引玉，就基于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(yè)產(chǎn)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(yè)產(chǎn)品制作中，經(jīng)常會用到一些工業(yè)材料，像塑料、金屬、木材等一些其他工業(yè)材料。在日常生活中我們經(jīng)常會看到某件產(chǎn)品不只用一種材料來制作;我們也經(jīng)?？吹揭患a(chǎn)品由多個部分組成、并且各部分之間還會產(chǎn)生空隙，這不僅會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，還會影響產(chǎn)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(fā)展，人們對焊接技術的要求越來越高，目前傳統(tǒng)的焊接技術不但成本較高，而且焊接的質(zhì)量不高，往往會產(chǎn)生細小的縫隙。因此人們希望運用新的焊接技術來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　1943年，在總結前人理論和實踐的基礎上，美國的Behl發(fā)明了超聲波焊，從此推動了超聲波焊接技術的發(fā)展。由于超聲波焊接技術具有節(jié)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(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，超聲波焊接技術發(fā)展的越來越快。

　　1 超聲波焊接技術在工業(yè)產(chǎn)品中的應用現(xiàn)狀

　　像在航空航天、核能工業(yè)、電子工業(yè)等這樣一些精度要求很高的工業(yè)產(chǎn)品領域中，使用傳統(tǒng)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(yè)都有廣泛的應用，像醫(yī)療機械、包裝、五金等行業(yè);能焊接的產(chǎn)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于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，連接同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法[1]。超聲波作用于熱塑性的塑膠表面時，會產(chǎn)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(qū)，又由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻比較大，因此會產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料制品導熱性差，一時還不能及時散發(fā)出聚集的能量，因此能量就會聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定的壓力后，就會使其融合成為一體。當超聲波停止作用后，讓壓力再持續(xù)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(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑骈g的摩擦功、形變能及有限的溫升，使得焊接區(qū)域的金屬原子被瞬間激活，兩相界面處的分子相互滲透，最終實現(xiàn)金屬焊件的固態(tài)連接。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(yōu)點

　　與傳統(tǒng)焊接技術相比較，超聲波焊接技術有如下優(yōu)點：(1)焊接速度快、焊接精度高、焊接焊點強度高;(2)焊接范圍廣、穩(wěn)定性好、被焊接后的工件變形很小;(3)焊接物表面清潔美觀、平整光滑;(4)焊接時，不需添加焊接劑，對被加工物不產(chǎn)生污染、不產(chǎn)生有害氣體，因此是一種環(huán)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

　　盡管超聲波焊接技術有很多的優(yōu)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)制造一些大功率的超聲波焊接機成本高、而且比較困難;(5)對焊接好后的工件進行焊接處質(zhì)量檢測比較困難，因此給大批量生產(chǎn)帶來阻礙。 　　3 影響超聲波焊接質(zhì)量的因素

　　雖然超聲波焊接技術有眾多優(yōu)點，但其焊接質(zhì)量與熔融量、材料的材質(zhì)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(zhì)量的因素

　　(1)焊接材料的材質(zhì)：一般來說焊接質(zhì)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、摩擦系數(shù)、熱導率、熔點等。物件的焊接質(zhì)量與材料的彈性模量、摩擦系數(shù)、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性能，使其滿足客戶的使用要求。在適宜的工藝條件下加入一些性能相近的材料，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(zhì)量。增加材料的表面粗糙度可以提高焊接質(zhì)量;焊接面的清潔度越高，焊接質(zhì)量也越高。

　　(3)其他因素：焊接技術的工藝參數(shù)、焊接件的結構、連接形式、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(chǎn)品研發(fā)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(yè)產(chǎn)品設計中的應用案例

　　正如以上所述，基于超聲波焊接技術的產(chǎn)品研發(fā)，先要進行綜合考慮影響焊接質(zhì)量的因素，然后結合產(chǎn)品的市場前景，產(chǎn)品的成本，生產(chǎn)技術要求等條件，合理生產(chǎn)設計要素。

　　下面僅就一個設計案例――美國蘋果公司發(fā)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(fā)明這項專利技術之前，所有的便攜式設備(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(chǎn)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。并且制作成本高、操作復雜、使用不方便，按鍵操作過多時，會接觸不靈。解決案例：采用全新的超聲波塑料與金屬焊接技術，在手機內(nèi)部某些部件使用塑料材質(zhì)，減輕了手機的重量的同時也減少了金屬的使用量。在殼體方面采用一次成型工藝，使外殼更加簡約、流暢，操作簡單，設計靈活，給人一種高端、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，設計線條采用極簡主義的風格，色彩上運用淺色，給人輕松、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(zhì)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(diào)研，作者通過對超聲波焊接技術的了解，對超聲波焊接技術應用進行研究，由于條件有限，在調(diào)查研究過程中還有不足之處，在此將在調(diào)研過程中涉及到的問題及解決辦法總結一下，為后面進一步研究做鋪墊。針對焊接質(zhì)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。要了解用戶需求，針對特定的用戶進行設計，設計出多種不同的外觀形態(tài)，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(chǎn)品，營造輕松愉悅的環(huán)境。針對超聲波焊接技術在產(chǎn)品設計中的展望，作者經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)可以在工作時增加音樂播放功能，使焊接過程輕松、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].機械設計與制造，2004(6).

　　[2]朱政強，吳宗輝，范靜輝.超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J].焊接技術，2010，39(12).