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超聲波焊接工藝特點總結(jié)
閱讀：2549 發(fā)布時間：2021-7-16
超聲波焊接的焊點，應(yīng)有高的接合強度和合格的表面質(zhì)量，除了表面不能有明顯的擠壓坑和焊點邊緣的凸出以外，還應(yīng)注意與上聲極接觸處的焊點表面情況，不允許有裂紋和局部未熔合，因此，超聲波焊接的形式選擇、接頭設(shè)計和焊接參數(shù)選擇非常重要。
一、超聲波焊接特點
1)可焊接的材料范圍廣，可用于同種金屬材料、特別是高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱性的材料（如金、銀、銅、鋁等）和一些難熔金屬的焊接，也可用于性能相差懸殊的異種金屬材料（如導(dǎo)熱、硬度、熔點等）、金屬與非金屬、塑料等材料的焊接，還可以實現(xiàn)厚度相差懸殊以及多層箔片等特殊結(jié)構(gòu)的焊接。
2)焊件不通電，不需要外加熱源，接頭中不出現(xiàn)宏觀的氣孔等缺陷，不生成脆性金屬間化合物，不發(fā)生像電阻焊時易出現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等問題。
3)焊縫金屬的物理和力學(xué)性能不發(fā)生宏觀變化，其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭的強度高，且穩(wěn)定性好。
4)被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小，焊前對焊件表面準備工作比較簡單。
5)形成接頭所需電能少，僅為電阻焊的5％；焊件變形小。
6)不需要添加任何粘結(jié)劑、填料或溶劑，具有操作簡便、焊接速度快、接頭強度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。超聲波焊接的主要缺點是受現(xiàn)有設(shè)備功率的限制，因而與上聲極接觸的焊件厚度不能太厚，接頭形式只能采用搭接接頭，對接接頭還無法應(yīng)用。
二、超聲波焊接的分類
超聲波焊接分類按照超聲波彈性振動能量傳入焊件的方向，超聲波焊接的基本類型可以分為兩類：一類是振動能量由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面產(chǎn)生相對摩擦，這種方法適用于金屬材料的焊接；另一類是振動能量由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要是用于塑料的焊接。常見的金屬超聲波焊接可分為點焊、環(huán)焊、縫焊及線焊；近年來，雙振動系統(tǒng)的焊接和超聲波對焊也有一定的應(yīng)用。
?。?）點焊點焊是應(yīng)用*的一種焊接形式，根據(jù)振動能量的傳遞方式，可以分為單側(cè)式、平行兩側(cè)式和垂直兩側(cè)式。振動系統(tǒng)根據(jù)上聲極的振動方向也可以分為縱向振動系統(tǒng)、彎曲振動系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲振動系統(tǒng)。功率500W以下的小功率焊機多采用輕型結(jié)構(gòu)的縱向振動；千瓦以上的大功率焊機多采用重型結(jié)構(gòu)的彎曲振動系統(tǒng)；而輕型彎曲振動系統(tǒng)適用于中小功率焊機，它兼有上述兩種振動系統(tǒng)的優(yōu)點。
（2）環(huán)焊環(huán)焊方法如圖5所示，主要用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。焊接時，耦合桿4帶動上聲極5作扭轉(zhuǎn)振動，振幅相對于聲極軸線呈對稱分布，軸心區(qū)振幅為零，邊緣位置振幅最大。該類焊接方法于微電子器件的封裝工藝，有時環(huán)焊也用于對氣密性要求特別高的直線焊縫的場合，用來代替縫焊。由于環(huán)焊的一次焊縫的面積較大，需要有較大的功率輸入，因此常常采用多個換能器的反向同步驅(qū)動方式。
?。?）縫焊與電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實質(zhì)上是由局部相互重疊的焊點形成一條連續(xù)焊縫?？p焊機的振動系統(tǒng)按其滾輪振動狀態(tài)可分為縱向振動、彎曲振動以及扭轉(zhuǎn)振動三種形式（圖6）。其中最常見的是縱向振動形式，只是滾輪的尺寸受到驅(qū)動功率的限制?？p焊可以獲得密封的連續(xù)焊縫，通常焊件被夾持在上下滾輪之間，在特殊情況下可采用平板式下聲極。
?。?）線焊它是點焊方法的一種延伸，利用線狀上聲極，在一個焊接循環(huán)內(nèi)形成一條狹窄的直線狀焊縫，聲極長度就是焊縫的長度，現(xiàn)在可以達到150mm，這種方法于金屬薄箔的封口。
?。?）雙超聲波振動系統(tǒng)的點焊：上下兩個振動系統(tǒng)的頻率分別為27kHz和20kHz（或15kHz），上下振動系統(tǒng)的振動方向相互垂直，焊接時二者作直交振動。當上下振動系統(tǒng)的電源各為3kW時，可焊鋁件的厚度達10mm，焊點強度達到材料本身的強度。雙超聲波振動系統(tǒng)多用于集成電路和晶體管細導(dǎo)線的焊接，雖然焊接方法與點焊基本相同，但焊接設(shè)備復(fù)雜，要求設(shè)備的控制精度高，以便實現(xiàn)焊點的高質(zhì)量和高可靠性焊接。
?。?）超聲波對焊超聲波對焊主要用于金屬的對接，是近年來開發(fā)的一種新方法。焊接設(shè)備由上、下振動系統(tǒng)、提供接觸壓力的液壓源和焊件夾持裝置等部分組成。左邊焊件的一端由夾具固定，另一端夾在上、下振動系統(tǒng)之間作超聲振動；右焊件端面與左端面對接，并由夾具夾緊，接觸壓力加在右側(cè)焊件上。焊接時，在超聲振動的作用下即可把兩個焊件在端面焊接在一起。應(yīng)注意，焊接裝置的上、下振動系統(tǒng)的振動相位必須相反，上振動系統(tǒng)可以是無源的。采用頻率為27kHz的該類焊接裝置可以焊接6～10mm厚的鋁板、6mm厚的銅板和鋁板的焊接。目前可以實現(xiàn)6mm厚、100～400mm寬鋁板的對接。
三、超聲波焊接頭設(shè)計
1．焊點設(shè)計超聲波焊接時，要求焊點強度必須達到一定的要求，需要設(shè)計出一種合理的焊點結(jié)構(gòu)，同時還要保持外形盡可能美觀。焊點分布如圖10所示，對焊點與板材邊緣的距離沒有限制，可以沿邊緣布置焊點，焊點之間的距離可以任意選定，可以重疊和重復(fù)焊接（修補），每行之間的距離也可以根據(jù)需要任選，不存在電阻點焊時的分流問題。
2．焊接界面設(shè)計為了在焊接過程中使能量集中，縮短焊接時間，提高焊接質(zhì)量，焊接界面的設(shè)計非常重要，主要有以下幾種形式。（2）臺階式界面為了提高焊接力，可設(shè)計成圖12所示的臺階式焊接界面（W為板寬），三角形凸緣可以使凸緣材料熔化之后流入預(yù)留的孔隙，能產(chǎn)生較大的切應(yīng)力及拉力強度，這種設(shè)計還可以避免外表面上產(chǎn)生的焊接痕跡。（3）凹凸插接式界面，待焊材料設(shè)計成帶有三角形凸緣的凹凸形式，兩焊件之間應(yīng)留有間隙，凸形焊件壁應(yīng)有一定的斜度，以便塑料件容易拼合，同時讓熔融的材料有流動的空間，不致溢出外面。在超聲波焊的接頭設(shè)計中應(yīng)注意控制焊件的諧振問題。當上聲極向焊件引入超聲振動時，如果焊件沿振動方向的自振頻率與引入的超聲振動頻率相等或相近，就有可能引起焊件的諧振，其結(jié)果往往造成已焊焊點的脫落，嚴重時可導(dǎo)致焊件的疲勞斷裂。解決上述問題的簡單方法就是改變焊件與聲學(xué)系統(tǒng)振動方向的相對位置，或者改變焊件的自振頻率。
四、超聲波焊接參數(shù)選擇超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率?
振幅A、靜壓力F及焊接時間t，此外還應(yīng)考慮超聲波功率的選擇以及各參數(shù)之間的相互影響。在超聲波焊接中，點焊應(yīng)用得，下面以點焊為例討論各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。
1．超聲波振動頻率?振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度。振動頻率一般在15～75kHz之間。頻率的選擇應(yīng)考慮被焊材料的物理性能和厚度，焊件較薄的選用比較高的振動頻率；焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強度較低時選用較低的振動頻率。這是由于在維持聲功能不變的前提下，提高振動頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應(yīng)力引起的疲勞破壞。振動頻度對焊點抗剪強度有影響，材料越硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應(yīng)注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗將增大，因此大功率超聲波點焊機的頻率比較低，一般在15～20kHz范圍內(nèi)。振動頻率的精度是保證焊點質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素，由于超聲波焊接過程中機械負荷的多變性，會出現(xiàn)隨機的失諧現(xiàn)象，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。
2．振幅A振幅是超聲波焊接工藝中基本的參數(shù)之一，它決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到焊接面氧化膜的去除、接合面的摩擦產(chǎn)熱、塑性變形區(qū)域的大小及塑性流動層的狀況等。因此，根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度正確選擇振幅的數(shù)值是獲得高可靠接頭的前提。振幅的選用范圍一般為5～25μm，小功率超聲波焊機一般具有高的振動頻率，但振幅范圍較低。低硬度的焊接材料或較薄的焊件應(yīng)選用較低的振幅；隨著材料硬度及厚度的提高，所選用的振幅也應(yīng)相應(yīng)提高。這是因為振幅的大小對應(yīng)著焊件接觸表面相對移動速度的大小，而焊接區(qū)的溫度、塑性流動以及摩擦功的大小又由該相對移動速度所確定。對于具體的焊件，存在一個合適的振幅范圍。圖15為鋁鎂合金在不同振幅值下焊點強度的試驗結(jié)果。當振幅A為17μm時，焊點抗剪強度最大，振幅減小，強度隨之降低。當振幅小于6μm時，已經(jīng)不能形成接頭，即使增加振動作用的時間也無效果。這是因為振幅值過小，焊件間相對移動速度過小所致。當振幅值超過17μm時，焊點強度反而下降，這主要與金屬材料內(nèi)部及表面的疲勞破壞有關(guān)，因此振幅過大，由上聲極傳遞到焊件的振動剪力超過了它們之間的摩擦力，聲極與工件之間發(fā)生相對的滑動摩擦，并產(chǎn)生大量的熱和塑性變形，導(dǎo)致上聲極嵌入焊件，使有效接合截面減少所致。超聲波焊機的換能器材料和聚能器結(jié)構(gòu)決定了焊機振幅的大小，當它們確定以后，要改變振幅，一般是通過調(diào)節(jié)起聲波發(fā)生器的電參數(shù)來實現(xiàn)。此外，振幅值的選擇與其他參數(shù)有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。必須指出，在合適的振幅范圍內(nèi)，采用偏大的振幅可大大縮短焊接時間，提高焊接生產(chǎn)效率。
3．靜壓力F靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件，超聲波焊接時所需靜壓力的大小根據(jù)材料類型的不同而異。靜壓力與焊點抗剪力之間的關(guān)系如圖16所示。當靜壓力過低時，由于超聲波幾乎沒有被傳遞到焊件，不足以在兩焊件界面產(chǎn)生一定的摩擦功，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動方面，因此不可能形成有效的連接。隨著靜壓力的增加，改善了振動的傳遞條件，使焊區(qū)溫度升高，材料的變形抗力下降，塑性流動的程度逐漸加劇；另外，由于壓應(yīng)力的增加，接觸處塑性變形的面積及連接面積增加，因而接頭的強度增加。當靜壓力達到一定數(shù)值后再增加壓力，接頭強度不再提高或反而下降。這是因為當靜壓力過大時，振動能量不能合理地利用，使摩擦力過大，造成焊件間的相對摩擦運動減弱，甚至?xí)拐穹涤兴档?，?dǎo)致了焊件間的連接面積不再增加或有所減小，加之材料壓潰造成接頭的實際接合截面減少，使焊點強度降低。在其他焊接條件不變的情況下，選用偏高的靜壓力，可以在較短的焊接時間內(nèi)得到同樣強度的焊點，這是因為偏高的靜壓力能在振動早期較低的溫度下產(chǎn)生塑性變形所致。同時，選用偏高的靜壓力，能在較短的時間內(nèi)達到最高的溫度，縮短了焊接時間。
4．焊接時間t焊接時間對接頭質(zhì)量有很大影響，焊接時間太短時，表面的氧化膜來不及被破壞，只形成幾個凸點間的接觸，則接頭強度過低，甚至不能形成接頭。隨著焊接時間的延長，焊點強度迅速提高，在一定的焊接時間內(nèi)強度值不降低。但當超聲波焊接時間超過一定值以后，焊點強度反而下降，這是由于焊件的熱輸入量過大，塑性區(qū)擴大，上聲極陷入焊件，除了降低焊點的截面積以外，還容易引起焊點表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。從圖17中還可以看出，對于不同的靜壓力，獲得接頭最佳強度所需的焊接時間不同，增大靜壓力的數(shù)值，可在某種程度上縮短焊接時間。
5．焊接功率P超聲波焊接時，功率的選擇主要取決于焊件的厚度和材料的硬度，由于在實際應(yīng)用中超聲波功率的測量尚有困難，因此常常用振幅來表示功率的大小，超聲波功率與振幅的關(guān)系可由下式確定：P＝μSFυ＝μSF2Aω/π＝4μSFA?（1）式中P——超聲波功率；F——靜壓力；S——焊點面積；υ——相對速度；A——振幅；μ——摩擦系數(shù)；ω——角頻率（ω＝2π?）；?——振動頻率。超聲波焊接時，振幅的選取范圍為5～25μm，當換能器材料、結(jié)構(gòu)及其功率選定后，振幅值大小還與聚能器的放大系數(shù)有關(guān)。通常在確定上述各種焊接參數(shù)的相互影響時，可以通過繪制臨界曲線的方法來達到，圖18為靜壓力與功率的臨界關(guān)系曲線。一般選用最小可用功率時的靜壓力和比最小可用功率稍高一點的功率值進行實際焊接。上述幾個焊接參數(shù)之間并不是孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。例如，塑料的超聲波焊接時，接頭質(zhì)量的好壞取決于換能器的振幅、靜壓力及焊接時間等因素的相互配合。焊接時間t和焊頭靜壓力F是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定，這三個量相互有*值。焊接能量超過合適值時，材料的熔解量大，產(chǎn)生較大的變形。若焊接能量太小，則不易焊牢。除了焊接參數(shù)以外，上聲極材料、形狀尺寸及其表面狀態(tài)等因素也對焊接質(zhì)量有影響。