超聲波金屬焊接機(jī)由來

超聲波金屬焊接機(jī)英文注釋:Ultrasonic metal welding machine，超聲波金屬焊接是19世紀(jì)30年代偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)在作電流點(diǎn)焊電極加超聲振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不通電流也能焊接上，因而發(fā)展了超聲金屬冷焊技術(shù)。超聲波焊接雖然發(fā)現(xiàn)較早，但是到目前為止，其作用機(jī)理還不是很清楚。它類似于摩擦焊，但有區(qū)別，超聲焊接時(shí)間很短，溫度低于再結(jié)晶;它與壓力焊也不相同，因?yàn)樗拥撵o壓力比壓力焊小的多。一般認(rèn)為在超聲波焊接過程中的初始階段，切向振動(dòng)出去金屬表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分產(chǎn)生反復(fù)的微焊和破壞的過程而使接觸面積增大，同時(shí)使焊區(qū)溫度升高，在焊件交界面產(chǎn)生塑性變形。這樣在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發(fā)生作用的距離時(shí)，即形成焊點(diǎn)。焊接時(shí)間過長，或超聲波振幅過大會(huì)使焊接強(qiáng)度下降，甚至破壞。

超聲波金屬焊接是利用額每秒鐘數(shù)萬次的高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的金屬工件表面，再施以一定的壓力，使金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，達(dá)到焊接的目的。

超聲波金屬焊接機(jī)和超聲波塑料焊接機(jī)到底有哪些不同呢?

1. 首先，工作方式不一樣。通常，超聲波塑料焊接中焊頭振動(dòng)方向垂直于焊位，超聲波金屬焊接中焊頭振動(dòng)方向平行于焊位。有些特殊情況下，塑料焊也可采用平行方向，如較薄的塑料件。

2. 其次，由于超聲波應(yīng)用于焊接金屬，對(duì)超聲波焊接技術(shù)提出了更高的要求;相對(duì)于普通的塑料焊接，對(duì)功率容量、功率密度、穩(wěn)定性及自動(dòng)化控制等各個(gè)方面的要求，不是同一個(gè)級(jí)別?，F(xiàn)國內(nèi)超聲波塑料焊接用發(fā)生器基本都采用自激式電路，典型代表為:8400、8700全橋電路及臺(tái)灣機(jī)器常用的半橋電路，顯著特點(diǎn)為有個(gè)調(diào)諧電感。如果將現(xiàn)有的用于塑料焊接的成熟技術(shù)直接轉(zhuǎn)嫁到金屬焊上，其技術(shù)上的先天不足，將導(dǎo)致產(chǎn)品的不穩(wěn)定使用;其唯一的優(yōu)勢就是價(jià)格便宜，但對(duì)于金屬焊本身的高要求，這點(diǎn)優(yōu)勢是很蒼白的。

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)，即焊頭振幅的最大化。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(jí)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(jí)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(duì)于塑料焊，要求高的能量密度，必然有相對(duì)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(duì)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. 優(yōu)質(zhì)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。

(1)、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)、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)、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)、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)、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)、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)、超聲焊接可以使材料的溫度效應(yīng)降到最低(焊區(qū)的溫度不超過被焊金屬絕對(duì)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。

熔合強(qiáng)度高;

接近冷態(tài)加工、工件不退火、無氧化痕跡;

焊接后導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低或近乎零;

對(duì)焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接;

焊接時(shí)間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。

焊接無火花，環(huán)保安全。

是所焊接金屬件不能太厚，焊點(diǎn)不能太大，需要加壓。

適用于銅、鋁、錫、鎳、金、銀、鉬、不銹鋼等有色金屬材料薄板、細(xì)棒、絲、片、帶等材料實(shí)施瞬間焊接，總厚度可達(dá)2-4mm。

鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片互熔。 鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片互熔，鋁箔與鋁片互熔。 電線互熔，偏結(jié)成一條與多條互熔，線束焊接。 電線與各種電子元件、接點(diǎn)、連接器互熔。 各種家電用品、汽車用品的大型散熱座、熱交換鰭片、蜂巢心的互熔。 電子元器件引線、繼電器、電磁開關(guān)、無熔絲開關(guān)等大電流接點(diǎn)，異種金屬片的互熔。 金屬管的封尾、切斷可水、氣密。

1、超聲波金屬焊接機(jī)是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，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;缺點(diǎn)是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊點(diǎn)位不能太大、需要加壓。

2、焊接優(yōu)點(diǎn):

1)、焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。

2)、焊接后導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低或近乎零。

3)、對(duì)焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。

4)、焊接時(shí)間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。

5)、焊接無火花，環(huán)保安全。

3、超聲波金屬焊接適用產(chǎn)品:

1)、鎳氫電池鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片互熔與鎳片互熔。.

2)、鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片互熔，鋁箔與鋁片互熔。.

3)、電線互熔，偏結(jié)成一條與多條互熔。

4)、電線與名種電子元件、接點(diǎn)、連接器互熔。

5)、名種家電用品、汽車用品的大型散熱座、熱交換鰭片、蜂巢心的互熔。

6)、電磁開關(guān)、無熔絲開關(guān)等大電流接點(diǎn)，異種金屬片的互熔。

7)、金屬管的封尾、切斷可水、氣密。

4、 振幅參數(shù)

振幅對(duì)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(duì)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)，最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。

5、 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(duì)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‰。

6、 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)端面的振幅最大，應(yīng)力最小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力最大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位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(duì)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)行屏蔽，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)予以考慮。

7、 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。

8、 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(duì)稱設(shè)計(jì)，以避免聲波傳遞的不對(duì)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(duì)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(duì)加工精度要求是不同的，對(duì)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(duì)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。

9、 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)械損耗小)好的特點(diǎn)，所以最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(duì)立的，這就要求我們選擇非常高要求的材料，我們選擇的優(yōu)質(zhì)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。

10、 金屬相熔性

上圖互熔性謹(jǐn)供參考，具體應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)

1、發(fā)熱

焊頭在工作時(shí)會(huì)有一定的發(fā)熱現(xiàn)象，這是由于材料本身的機(jī)械損耗及焊件發(fā)熱傳導(dǎo)所致。焊頭發(fā)熱是否正常判斷標(biāo)準(zhǔn)為不帶負(fù)載(即不接觸工件)時(shí)，連續(xù)發(fā)射超聲波半小時(shí)以上，溫度不能夠超過50-70℃，如發(fā)熱厲害，證明焊頭已損壞或材料不合格，需要更換。

2.嘯叫

當(dāng)焊頭工作時(shí)出現(xiàn)嘯叫時(shí)，應(yīng)分析以下原因:

① 安裝螺絲是否已松動(dòng)

② 焊頭是否產(chǎn)生裂紋

③ 焊頭是否和不應(yīng)接觸的物件相接觸。

2、 過載

當(dāng)發(fā)生器發(fā)出過載警報(bào)時(shí)，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行檢查:

① 空載測試，如工作電流正常，則可能是焊頭接觸到不應(yīng)接觸的物件或焊頭與焊座之間的參數(shù)調(diào)節(jié)出現(xiàn)故障。

② 空載測試不正常時(shí)，應(yīng)首先觀察焊頭是否有裂紋，安裝是否牢固，然后拆下焊頭再進(jìn)行空載測試，排除是否是換能器+變幅桿出現(xiàn)問題，一步步進(jìn)行排除。排除掉換能器+變幅桿出現(xiàn)故障的可能性后，將新的焊頭拆換以判斷。

③ 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)空載測試正常，而不能正常工作的情況，有可能是焊頭等聲能原件內(nèi)部發(fā)生變化，導(dǎo)致聲能傳遞不暢，這里有一個(gè)比較簡單的判斷方法:手觸摸法。正常工作的焊頭或變幅桿表面工作時(shí)振幅是非常均勻的，手摸上去是絲絨般的順滑，當(dāng)聲能傳遞不暢時(shí)，用手摸上去會(huì)有氣泡或毛刺的感覺，這時(shí)就要采用排除法去排除有問題的部件。發(fā)生器不正常時(shí)，也能產(chǎn)生同樣的情況，因?yàn)檎碚f檢測換能器輸入波形時(shí)應(yīng)為順滑的正弦波，當(dāng)正弦波上有尖峰或不正常波形時(shí)也能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，這時(shí)可以用另外一整枝聲能元件替換以判別。