超声波金属焊接

连接同种金属或异种金属的方法

超声波金属焊接是利用超声频率的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将机械能转变为内能、形变能及有限的温升．两母材达到再结晶温度下发生的固相焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接

简介

超声波金属焊接利用高频振动波传递到需焊接的金属表面，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。

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。

优点

范围

影响因素

振幅

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。

选择的超声波换能器不同，换能器输出的振幅都不同，经过适配不同变比的超声波变幅杆及焊头，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。选用的是不同品牌的焊接机，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。

频率

任何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，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。超声波发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围。

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。20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在 19.90—20.10 KHZ，误差小5‰。

节点

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。

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[span]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。

换能器

[span]供金属焊接装置使用的换能器和供塑料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具有更高质量的要求，因为在焊接金属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，不用使用塑料焊接装置使用的换能器。

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。[span]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。

[span]超声波发生器具有频率自动跟踪系统，在焊接过程中机械装置或电子元件的工作情况发生变化会引起振动频率的改变，[span]超声波发生器将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。

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。

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，我们选择的优质钢材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。

故障分析

发热

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℃，如发热厉害，证明焊头已损坏或材料不合格，需要更换。

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

② 焊头是否产生裂纹

③ 焊头是否和不应接触的物件相接触。

过载

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。

③ 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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