超聲波金屬焊接機(jī)工作原理

把高頻電能通過超聲波換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，直接傳導(dǎo)到超聲波金屬焊接機(jī)焊頭上，作用于兩個(gè)需要焊接的金屬表面并產(chǎn)生高頻摩擦，在加壓的情況下，使兩個(gè)金屬表面相互主頻摩擦造成生熱凝聚而熔接。能對銅裸露線進(jìn)行并線焊接，超聲波焊接過程是一個(gè)機(jī)械過程，無電流通過工件，無熔化出現(xiàn)。其電性能和熱性能是其他工藝所達(dá)不到的。因此對有色金屬材料來說，無疑是一種理想的金屬焊接系統(tǒng)。特別是鋁、鎳、銅、銀等細(xì)、薄材料進(jìn)行單點(diǎn)、多點(diǎn)、方形、條形、單層、多層、復(fù)合焊接起到理想效果。其優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工，也在于超聲焊接消耗低、壽命長、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

技術(shù)參數(shù)：

超聲波金屬焊接機(jī)焊接階段

　?。?/span>1）振動(dòng)摩擦階段：超聲波金屬焊接的個(gè)過程主要是摩擦過程，其相對摩擦速度與摩擦焊相近，只是振幅僅僅為幾十微米。這一過程的主要作用是排除焊件表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，使純將的金屬表面暴露出來。焊接時(shí)，由于上聲極的超聲波振動(dòng)，使其與上焊件之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時(shí)的連接，然后通過它們直接將超聲波振動(dòng)能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對摩擦，由初期個(gè)別凸點(diǎn)之間的摩擦逐漸擴(kuò)大到面摩擦，同時(shí)破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其他附著物。  

　?。?/span>2）溫度升高階段：在繼續(xù)的超聲波往復(fù)摩擦過程中，接觸表面溫度升高（焊區(qū)的溫度約為金屬熔點(diǎn)的35％～50％），變形抗力下降，在靜壓力和彈性機(jī)械振動(dòng)引起的交變節(jié)應(yīng)力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動(dòng)不斷進(jìn)行，使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入到被焊材料內(nèi)部，促使純金屬表面的原子接近到原子能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，出現(xiàn)原子擴(kuò)散及相互結(jié)合，形成共同的晶粒或出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。  

　　（3）固相接合階段：隨著摩擦過程的進(jìn)行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內(nèi)甚至形成渦流狀的塑性流動(dòng)層，出現(xiàn)焊件間的機(jī)械咬合。焊接初期咬合點(diǎn)較少，咬合面積也較少，接合強(qiáng)度不高，很快被超聲波振動(dòng)所引起的切應(yīng)力所破壞。隨著焊接過程的進(jìn)行，咬合點(diǎn)數(shù)和咬合面積逐漸增加，當(dāng)焊件之間的結(jié)合力超過上聲極與上焊件之間的結(jié)合力時(shí)，切向振動(dòng)不能切斷焊件之間的結(jié)合，形成牢固的接頭。

超聲波金屬焊接機(jī)焊接優(yōu)點(diǎn)

1、高可靠性：通過時(shí)間、能量、功率和高限監(jiān)測，保證的過程控制；

2、節(jié)約成本：避免了消耗品如焊料、焊劑、折彎和黃銅材料，使超聲波焊接成為有經(jīng)濟(jì)效益的過程；

3、能耗低：超聲焊接所需能量不到電阻焊的1/3；

4、工具壽命：超聲工具是用高質(zhì)量工具鋼精加工得到，具有優(yōu)異的抗磨損性能，易安裝、焊接精度高；

5、高效率與自動(dòng)化：典型的焊接速度不超過0.5秒，尺寸小，保養(yǎng)工作量少，適應(yīng)性強(qiáng)，使超聲波設(shè)備成為自動(dòng)化裝配線的；

6、低工作溫度：由于超聲焊接不產(chǎn)生大量的熱，所以它不會(huì)使金屬工件退火、不會(huì)使塑料殼熔化，也不需要冷卻水；

7、除絕緣皮：在大多數(shù)情況下，超聲焊接的高頻摩擦使人們無需剝?nèi)テ岚€的絕緣皮或?qū)ぜ砻孢M(jìn)行預(yù)先清理；

8、異種金屬焊接：對于不同類或同類金屬（如銅+銅或鋁+銅）有極好的焊接滲透混合效果；

9、設(shè)備特點(diǎn)：它通過對時(shí)間、能量、限位、頻率等進(jìn)行檢測、保證焊接精度，垂直（非扇形）加壓系統(tǒng)，焊后平面高度均勻、調(diào)節(jié)簡單。

超聲波金屬焊接機(jī)設(shè)備特點(diǎn)

    1、整機(jī)一體便攜式設(shè)計(jì)，體積小、重量輕、外形美觀，使用簡便；

    2、操作容易，內(nèi)置電子保護(hù)電路，使用安全，用于金屬的同類焊接，能對有色金屬實(shí)施單點(diǎn)或多點(diǎn)焊接；

    3、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)金屬焊接焊頭，媲美，保證焊接一致性并延長焊頭壽命，降低企業(yè)使用成本； 

    4、輕便緊湊的設(shè)計(jì)可使得機(jī)器既可放置在臺(tái)架上工作，也可安裝到自動(dòng)化生產(chǎn)線上；

    5、自動(dòng)檢測每次焊接過程，保證能量、時(shí)間、焊接高度等實(shí)際焊接參數(shù)在預(yù)先設(shè)定的范圍之內(nèi)；

    6各類型焊接模具、點(diǎn)焊焊頭、焊接底座都為自主設(shè)計(jì)，達(dá)到水平，焊接效果優(yōu)良；

    7、焊頭可無級調(diào)整焊頭下降速度和壓力，以保證工具頭的焊接位置和運(yùn)動(dòng)；

    8、先進(jìn)的超聲波控制箱，其微處理器控制模塊可確保實(shí)現(xiàn)好的焊接效果，并提供測試、報(bào)警、計(jì)數(shù)等功能。

超聲波金屬焊接機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

   電池焊接方面：鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片、鎳氫電池鎳片與鎳片、鎳鋅電池極片極耳、聚合物電池銅箔與鎳片、鋰電池銅箔與鋁片、鋰電池鋁箔與鋁片、鋰離子電池鋁殼與鋁鎳復(fù)合帶、聚合物電池鋁箔極耳、動(dòng)力電池正負(fù)極、鎳鎘電池極片極耳、電池極耳與鋁蓋板等。

    金屬焊接方面：電線與電子元件、鋁帶與鋁蓋焊接、鎳帶與銅箔多點(diǎn)焊接、鋁帶與鋁箔條形焊接、鎳帶與銅箔多層焊接、鋁殼與鋁鎳復(fù)合帶焊接、鎳帶與銅箔多層焊接、鋁帶與鋁箔多層焊接、厚銅片與鋁板焊接、稀有金屬電接頭焊接等。

    超聲波鋰電池鋁箔與鋁片金屬焊接機(jī)適合于鋁、鎳、銅、銀等細(xì)、薄材料進(jìn)行單點(diǎn)、多點(diǎn)、方形、條形、單層、多層、復(fù)合焊接，尤其是金屬箔、薄片、細(xì)導(dǎo)線的加密焊接。如：汽車接線端子、銅編織線、多層鋁片、汽車線束、馬達(dá)端子、熱電偶、可控硅元件 、制冷器電解、電容極片、碳刷片、散熱架片、銅管、銅管+鋁片、銅管+銅片、編織銅線壓型、安全氣囊、電容器引出瑞子、電器開關(guān)銀觸點(diǎn)、電機(jī)引出端、發(fā)動(dòng)機(jī)引出端、電器接插件、電子元器件、端子與線纜、轉(zhuǎn)子整流器、馬達(dá)線圈等。涉及五金、電池、電子、汽車、電機(jī)、電器、太陽能、機(jī)械等行業(yè)。

超聲波金屬焊接機(jī)設(shè)備性能

1、焊接方面：兩被焊接物體重疊，經(jīng)超聲振動(dòng)加壓接合成固態(tài)形式，接合時(shí)間短且接合部分不產(chǎn)生鑄造組織（粗糙面）缺陷。 

2、模具方面：超聲焊與電阻焊方法比較，模具壽命長，模具整修與替換時(shí)間少，而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 

3、能耗方面：同種金屬不同種金屬之間均可以進(jìn)行超聲焊接，與電氣焊相比耗費(fèi)能量少得多。

4、壓焊對比：超聲焊與其他壓焊相比，要求壓力較小，且變型量在10%以下，而冷壓焊其工件變形量達(dá)40%-90%。

5、焊接處理：超聲焊接不像其他焊接那樣要求進(jìn)行被焊表面的預(yù)處理及焊后的后處理。 

6、焊接優(yōu)勢：處理超聲焊接無需助焊劑、金屬填料、外部加熱等外部因素。

7、焊接效果：超聲焊接可以使材料的溫度效應(yīng)降到低（焊區(qū)的溫度不超過被焊金屬熔化溫度的50%），從而不使金屬結(jié)構(gòu)變化，因此很適合電子領(lǐng)域中的焊接應(yīng)用。

超聲波金屬焊接機(jī)技術(shù)要求

1、高功率容量、穩(wěn)定的超聲波發(fā)生器：

 　　穩(wěn)定的超聲波發(fā)生器首先要求為：頻率自動(dòng)跟蹤。頻率自動(dòng)跟蹤能保證換能器系統(tǒng)能工作在諧振狀態(tài)，即焊頭振幅的大化。采用頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)，更換模具及工作時(shí)無須調(diào)頻，才是用于金屬焊的基本要求。有可調(diào)電感手動(dòng)調(diào)頻率的設(shè)備，基本都滿足不了要求。

 　　穩(wěn)定的超聲波發(fā)生器還要要求：恒振幅功能及振幅的無級可調(diào)。恒振幅功能，它能保證焊接的一致性，為穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵；振幅的無級可調(diào)是保障設(shè)備用途的基本，例如在同一設(shè)備上通過參數(shù)調(diào)整既能焊銅，也能焊鋁材料。

 　　高功率容量：金屬焊相對于塑料焊，要求高的能量密度，必然有相對高的功率容量，如20kHz的機(jī)器，基本上要求3000W以上的功率容量。很多公司對于功率容量經(jīng)常出現(xiàn)虛假標(biāo)稱，那我們只需和他們所做的塑料焊機(jī)比較一下即可，因?yàn)樗芰虾笝C(jī)標(biāo)稱太高是無人信的。

 　　2、高品質(zhì)焊頭：金屬焊作為工業(yè)用途，必然要求高壽命的焊頭。

 　　3、高品質(zhì)換能器：如20kHz的換能器，必須能長期承受3kw以上負(fù)載。很多公司的換能器，用普通塑料焊的換能器，外觀上很難分辨，這是不負(fù)責(zé)任的做法。

 　　4、控制系統(tǒng)：具有焊接能量、時(shí)間、高度三種基本控制模式，多種質(zhì)控軟件滿足不同需求。

超聲波金屬焊接設(shè)備基礎(chǔ)知識

一、振幅參數(shù)

 　 振幅對于需要焊接的材料來說是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會(huì)熔接不上，溫度過高就會(huì)使原材料燒焦或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差。因?yàn)槊恳婚g公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10—20μm，而工作振幅一般為30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān)，形狀來說如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對變比影響很大，前后面積比與總變比成正比。貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機(jī)，簡單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定。

 　　二、頻率參數(shù)

 　　任何公司的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機(jī)的工作頻率主要由換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機(jī)械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部份都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長的諧振體。發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍，如一般設(shè)定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機(jī)基本都能正常工作.我們制作每一個(gè)焊頭時(shí)，都會(huì)對諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會(huì)控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰。

 　　三、節(jié)點(diǎn)

 　　焊頭、變幅桿均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅大，應(yīng)力小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固，但通常的固于3mm，或者是凹槽固定，所以固并不是一定為零振幅，這樣就會(huì)引致一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)予以考慮。

 　　四、網(wǎng)紋

 　　超聲波金屬焊接通常會(huì)在焊接位表面，底座表面設(shè)計(jì)網(wǎng)紋，網(wǎng)紋設(shè)計(jì)的目地在于防止金屬件的滑動(dòng)，盡可能將能量傳遞到熔接位。網(wǎng)紋設(shè)計(jì)一般有方形、菱形、條形網(wǎng)紋。黃金手飾等金屬包覆焊頭與底座根椐要求不能設(shè)計(jì)紋路，網(wǎng)紋的大小與深淺根據(jù)具體的焊接材料要求來確定。

 　 五、加工精度 

　　超聲波焊頭因?yàn)楣ぷ饔诟哳l振動(dòng)情況下，應(yīng)盡量保持一個(gè)對稱設(shè)計(jì)，以避免聲波傳遞的不對稱性導(dǎo)致的不均衡應(yīng)力及橫向振動(dòng)（我們所用于焊接的焊頭利用的是超聲波振動(dòng)的縱向傳遞，對于整個(gè)諧振系統(tǒng)而言），不均衡振動(dòng)能導(dǎo)致焊頭發(fā)熱及斷裂。超聲波焊接應(yīng)用于不同行業(yè)對加工精度要求是不同的，對于特別薄的工件如鋰離子電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等對加工精度的要求非常高，我們所有的加工設(shè)備均采用數(shù)控設(shè)備（如加工中心等），這樣才能保證加工出來的精度符合要求。

 　 六、使用壽命

 　 一只焊頭的使用壽命關(guān)鍵決定于兩個(gè)方面：一、材料，二、工藝。

    材料方面：超聲波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過程中機(jī)械損耗?。┖玫奶攸c(diǎn)，所以常用的材料為鋁合金及鈦合金，但超聲波金屬焊接要求焊頭耐磨損（要求較高的硬度），使材料的選擇變得比較困難，因?yàn)橛捕群晚g性似乎是天生對立的，這就要求我們選擇非常高要求的材料，我們選擇的鋼村料能夠比較好地解決這個(gè)矛盾，使焊頭的有效壽命盡量地提高。

工藝方面：包括有加工工藝及后續(xù)處理工藝，加工工藝在前面已詳細(xì)描述過，后續(xù)處理包括熱處理及參數(shù)的修整，基于我公司選擇的材料，我們有獨(dú)創(chuàng)的熱處理工藝去保證；在每一個(gè)焊頭制作完成后，單獨(dú)都要進(jìn)行參數(shù)的測定及調(diào)整，以保證出品。

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