線束焊接

線束壓焊方式有擴散焊、高頻焊、冷壓焊、超聲波焊。

擴散焊

diffusion welding

將焊件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散形成聯(lián)接的焊接方法。影響擴散焊過程和接頭質(zhì)量的主要因素是溫度壓力擴散時間和表面粗糙度。焊接溫度越高,原子擴散越快焊接溫度一般為材料熔點的0.5~0.8倍。根據(jù)材料類型和對接頭質(zhì)量的要求，擴散焊可在真空、保護氣體或溶劑下進行，其中以真空擴散焊應(yīng)用最廣。為了加速焊接過程、降低對焊接表面粗糙度的要求或防止接頭中出現(xiàn)有害的組織，常在焊接表面間添加特定成分的中間夾層材料,其厚度在0.01毫米左右。擴散焊接壓力較小,工件不產(chǎn)生宏觀塑性變形，適合焊后不再加工的精密零件。擴散焊可與其他熱加工工藝聯(lián)合形成組合工藝,如熱耗-擴散焊、粉末燒結(jié)-擴散焊和超塑性成形-擴散焊等。這些組合工藝不但能大大提高生產(chǎn)率，而且能解決單個工藝所不能解決的問題。如超音速飛機上各種鈦合金構(gòu)件就是應(yīng)用超塑性成形-擴散焊制成的擴散焊的接頭性能可與母材相同，特別適合于焊接異種金屬材料、石墨和陶瓷等非金屬材料、彌散強化的高溫合金、金屬基復(fù)合材料和多孔性燒結(jié)材料等。擴散焊已廣泛用于反應(yīng)堆燃料元件、蜂窩結(jié)構(gòu)板、靜電加速管、各種葉片、葉輪、沖模、過濾管和電子元件等的制造。

擴散焊是在一定溫度和壓力下將種待焊物質(zhì)的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產(chǎn)生微量液相而擴大待焊表面的物理接觸，使之距離離達(1~ 5)x10-8cm以內(nèi)(這樣原子間的引力起作用，才可能形成金屬鍵)，再經(jīng)較長時間的原子相互間的不斷擴散，相互滲透，來實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。

顯然，對于普通線束的焊接，使用擴散焊成本太高。

高頻焊(high-frequency welding)

高頻焊是以固體電阻熱為能源。焊接時利用高頻電流在工件內(nèi)產(chǎn)生的電阻熱使工件焊接區(qū)表層加熱到熔化或接近的塑性狀態(tài)，隨即施加(或不施加)頂鍛力而實現(xiàn)金屬的結(jié)合。因此它是一種固相電阻焊方法。高頻焊根據(jù)高頻電流在工件中產(chǎn)生熱的方式可分為接觸高頻焊和感應(yīng)高頻焊。接觸高頻焊時，高頻電流通過與工件機械接觸而傳入工件。感應(yīng)高頻焊時，高頻電流通過工件外部感應(yīng)圈的耦合作用而在工件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。高頻焊是專業(yè)化較強的焊接方法，要根據(jù)產(chǎn)品配備專用設(shè)備。生產(chǎn)率高，焊接速度可達30m/min。主要用于制造管子時縱縫或螺旋縫的焊接。

顯然，對于細小的線束，高頻焊不適用。

冷壓焊

冷壓焊，英文為cold pressure welding

加壓變形時，工件接觸面的氧化膜被破壞并被擠出，能凈化焊接接頭。所加壓力一般要高于材料的屈服強度，以產(chǎn)生60~90%的變形量。加壓方式可以緩慢擠壓、滾壓或加沖擊力，也可以分幾次加壓達到所需的變形量。

冷壓焊由于不需加熱、不需填料，設(shè)備簡單;焊接的主要工藝參數(shù)已由模具尺寸確定，故易于操作和自動化，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，成本低;不用焊劑，接頭不會引起腐蝕;焊接時接頭溫度不升高，材料結(jié)晶狀態(tài)不變，特別適于異種金屬和熱焊法無法實現(xiàn)的一些金屬材料和產(chǎn)品的焊接。冷壓焊已成為電氣行業(yè)、鋁制品業(yè)和太空焊接領(lǐng)域中最重要的有限幾種焊接方法之一。

冷壓焊機及其模具的工作表面可能會積聚金屬碎屑，必須定期清除。如有壓縮空氣，可用壓縮空氣把碎屑吹掉。如果要徹底的清除碎屑，可將模具從焊機中取出，把模具的四塊模塊拆開，用放大鏡仔細每塊模塊，確保所有模塊表面的微量碎屑都被清除。拆模時必須小心，尤其小彈簧容易丟失。模具的表面不干凈將會導(dǎo)致接線時線容易在模具中打滑，以至于焊接失敗。注意維修后的模具工作表面決不允許有任何油脂。

冷壓焊所需設(shè)備簡單，工藝簡便,勞動條件好。但冷壓焊所需擠壓力較大，在大截面工件的焊接時設(shè)備較龐大，搭接焊后工件表面有較深的壓坑，因而在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。

因此，冷壓焊對于線束焊接也不是完美的選擇。

多工位熱壓焊接機，包括機架，轉(zhuǎn)盤，對線調(diào)整機構(gòu)，焊接機構(gòu)，電機，轉(zhuǎn)盤定位 壓焊機機構(gòu)和電氣控制部分，機架上緊固底座，轉(zhuǎn)盤位于底座上方，安裝在機架內(nèi)的電機驅(qū)動垂直穿過底座中心并由其支撐的轉(zhuǎn)軸間歇轉(zhuǎn)動，從而帶動和轉(zhuǎn)軸垂直緊固的轉(zhuǎn)盤間歇轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)盤上設(shè)置的工位位置開槽孔，在槽孔上安裝可相對槽孔作上下移動的浮動裝置，轉(zhuǎn)盤上沿圓周方向可均勻地設(shè)置多個工位。

超聲波壓焊的原理是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生幾十千赫的超聲振蕩電能，通過磁致伸縮換能器產(chǎn)生超聲頻率的機械振動。壓焊劈刀鑲在端部的適當位置上，劈刀必然同時產(chǎn)生一種稱為交變剪切應(yīng)力的機械振動。鋁絲和芯片鋁焊區(qū)表面的氧化膜受到破壞，同時由于摩擦，在界面上產(chǎn)生一定的熱量使焊接處的鋁絲和芯片上的鋁焊區(qū)都產(chǎn)生一定的塑性形變，使鋁原子金屬鍵緊密接觸而形成牢固的鍵合。

球焊壓焊機以熱壓焊法和超聲波壓焊法為基礎(chǔ)，所用設(shè)備分別為熱壓焊機、超聲波壓焊機和球焊機。這是廣泛采用的內(nèi)引線焊接方法之一，其特點是:①工作溫度(200~250℃)低于熱壓焊法的工作溫度;②所用的壓焊劈刀不用加熱而由超聲振動產(chǎn)生熱能;③采用金絲為引線，并以球焊形式進行焊接。三種內(nèi)引線焊接法的焊接質(zhì)量，都需要用一個精密的引線抗拉強度測定器(拉力計)進行檢查和控制。

冷壓焊過程中可行的變形速度不會引起接頭的升溫，也不存在界面原子的相對擴散。因此，冷壓焊不會產(chǎn)生熱焊接頭常見的軟化區(qū)、熱影響區(qū)和脆性金屬中間相。經(jīng)過焊接時嚴重變形的冷壓焊機接頭，其結(jié)合界面均呈現(xiàn)復(fù)雜的峰谷和犬牙交錯的空間形貌，其結(jié)合面面積比簡單的幾何截面大。因此，在正常情況下，同各金屬的冷壓焊接頭強度不低于母材;異種金屬的冷壓焊接頭強度不低于較金屬的強度。由于結(jié)合界面大，又無中間相，所以接頭的導(dǎo)電性、抗腐蝕性能優(yōu)良。

要了解線束焊接，先要了解什么是線束。所謂線束，就是指電路中連接各電器設(shè)備的接線部件,由絕緣護套、接線端子、導(dǎo)線及絕緣包扎材料等組成。線束多用在各種精密電子設(shè)備，如汽車電路，電腦主板電路，家用電器電路等。這類電線束最容易發(fā)生的故障有3種:

1)自然損壞

電線束使用超過了使用期,使電線老化,絕緣層破裂,機械強度顯著下降,引起電線之間短路、斷路、搭鐵等,造成電線束燒壞。線束端子氧化、變形,造成接觸不良等,會引起電氣設(shè)備不能正常工作。

2)由于電氣設(shè)備的故障造成電線束的損壞

當電氣設(shè)備發(fā)生過載、短路、搭鐵等故障,都可能引起電線束損壞。

3)人為故障

裝配或檢修汽車零部件時,金屬物體將電線束壓傷,使電線束絕緣層破裂;電線束位置不當;電氣設(shè)備的引線位置接錯;蓄電池正負極引線接反;檢修電路故障時,亂接、亂剪電線束電線等,都可以引起電氣設(shè)備的不正常工作,甚至燒壞電線束。

其中前2種故障最讓工程技術(shù)人員頭疼。而焊接工藝的選擇是是導(dǎo)致這類故障最直接的原因。

傳統(tǒng)的線束焊接工藝主要有:熔焊，纖焊，壓焊。

1)熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。由于熔焊后，線束接面以熔接苞狀結(jié)合形成焊瘤，電阻大，大大降低了線束使用壽命。并且在熔焊過程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，還會在隨后冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質(zhì)量和性能。

2)釬焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于工件熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現(xiàn)原子間的相互擴散，從而實現(xiàn)焊接的方法。

焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側(cè)在焊接時會受到焊接熱作用，而發(fā)生組織和性能變化，這一區(qū)域被稱為熱影響區(qū)。焊接時因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊后在焊縫和熱影響區(qū)可能產(chǎn)生過熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調(diào)整焊接條件，焊前對焊件接口處預(yù)熱、焊時保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質(zhì)量。

3)壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態(tài)時，在軸向壓力作用下連接成為一體。

各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數(shù)壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素?zé)龘p，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛(wèi)生條件。同時由于加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，因而熱影響區(qū)小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優(yōu)質(zhì)接頭。

綜上所述，壓焊必然要取代熔焊、纖焊成為線束焊接的主流工藝。

超聲波線束焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的線束工件表面，在加壓的情況下，使兩個線束工件表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，其優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工;缺點是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊點位不能太大、需要加壓。

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)、對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。

4)、焊接時間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。

5)、焊接無火花，環(huán)保安全。

任何東西的振動都會發(fā)出聲音任何聲音都是靠振動而發(fā)生的。人的耳朵只能覺察到一定范圍內(nèi)的聲音這個范圍最高可到18000(18K)Hz。更高頻率的聲音我們把它稱為超聲波。超聲波可產(chǎn)生高頻的振動利用這種振動我們可以很容易對非鐵金屬進行焊接。超聲波線束焊接機是超聲波金屬焊接機的衍生設(shè)備。主要應(yīng)用于汽車線束、摩托車線束的焊接等銅線、鋁線的焊接。所以常被叫做汽車線束焊接機。

超聲波金屬焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬表面在加壓的情況下使兩個金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合其優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工;缺點是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊點位不能太大、需要加壓。超聲波金屬焊接是19世紀30年代偶然發(fā)現(xiàn)的。當時在作電流點焊電極加超聲振動試驗時發(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理還不是很清楚。它類似于摩擦焊但有區(qū)別超聲焊接時間很短溫度低于再結(jié)晶;它與壓力焊也不相同因為所加的靜壓力比壓力焊小的多。一般認為在超聲波焊接過程中的初始階段切向振動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)生作用的距離時即形成焊點。焊接時間過長或超聲波振幅過大會使焊接強度下降甚至破壞。

不需要焊劑和外加熱不因受熱而變形沒有殘余應(yīng)力對焊件表面的焊前處理要求不高。不但同類金屬而且異類金屬之間也可以焊接?？梢詫⒈∑蚣毥z焊接在厚板上。超聲焊接良導(dǎo)電體的能量比電流焊接少的多常用于晶體管或集成電路的引線的焊接。用于藥物和易爆材料的密封焊時能避免一般焊接因有溶解物體而污染藥品不會因受熱而發(fā)生爆炸等等。就是運用超聲波來對金屬導(dǎo)線進行焊接的。它由功率箱、換能器、氣動主機和工具頭組成。此外還包括集線器、導(dǎo)線測量裝置和微處理器等控制組件。功率箱可把通常的外部電壓(220V1Φ50或60Hz)轉(zhuǎn)換成20000Hz(20KHz)1000V的電壓然后再由功率箱調(diào)節(jié)控制后輸出作用到換能器上。換能器是一種高效的電器元件可以把電能轉(zhuǎn)變成機械能。與普通電機相比換能器的主要有兩大區(qū)別:首先換能器把電能轉(zhuǎn)換為線形振動而不是轉(zhuǎn)動;其次它的工作效率非常高能夠把95%的電能進行轉(zhuǎn)化。通過換能器轉(zhuǎn)換后機械能被作用到焊頭上。超聲波焊頭由鈦合金制成并根據(jù)聲學(xué)原理加工成特定的形狀從而保證了能量的最大傳輸。

超聲波焊接最重要的一個優(yōu)點就是溫度較低。溫度的產(chǎn)生是不可避免的它只是由摩擦所產(chǎn)生的只相當于金屬熔點的1/3或1/2。在焊接過程所產(chǎn)生的低溫下由于退火的產(chǎn)生和低溫沒有破壞導(dǎo)線的絕緣性金屬導(dǎo)線保留了原有的性能;此外較低的溫度還意味著可以把很薄的金屬焊接到厚金屬上而不造成薄金屬的損傷。這些在線束生產(chǎn)中都是十分重要的。

在電器產(chǎn)品中使用的大部分金屬其導(dǎo)熱性都很好這樣用熔化的方法就很難來焊接。因為熱量很快就從金屬表面散發(fā)掉了這就需要施加更多的熱量補充來完成焊接。超聲波焊接就沒有遇到這些問題。事實上由于沒有熔化發(fā)生超聲波焊接的能量只相當于電阻焊的1/30。換句話說用功率3KW的超聲波焊機可以完成電阻焊需要90KVA才能完成的工作因此工作中的成本也是顯而易見的。

超聲波焊接是一個機械的過程沒有電流流過工件所以金屬的導(dǎo)電率也就沒有影響。金屬表面一般都會附著污染物和氧化層使用超聲波焊接無需對金屬表面進行預(yù)先處理超聲波振動可以直接把附著物振碎后除去。超聲波焊接的另一個重要優(yōu)點是工件壽命長。超聲波線束機的焊頭有4個工作面這樣就減少了后期設(shè)備維護費用。

超聲波線束焊接機由機臺、超聲功率發(fā)生器兩個部分組成。

1、機臺 機臺有機箱、導(dǎo)柱、換能器、氣動系統(tǒng)、PC電路、底模組成。

2、聲組件聲組件由換能器、焊頭兩個部分組成。換能器采用壓電振子其作用是將電能轉(zhuǎn)換機械振動。變換器類比于電路中的變壓器起機械阻尼變換和振幅放大作用。焊頭是根據(jù)焊接要求和焊件形狀設(shè)計的它還起著二級阻抗變換和振幅放大作用。從結(jié)構(gòu)和形狀看焊頭不算復(fù)雜然而卻需要最好的設(shè)計、最好的材料和會好的加工技術(shù)。形狀復(fù)雜、尺寸較大的焊頭設(shè)計難度很大一般都由制造廠設(shè)計。

3、氣壓系統(tǒng)氣壓系統(tǒng)由壓縮空氣作動力通過電磁閥切換電路推動氣缸活塞帶動焊頭做上下運動。用調(diào)壓閥控制氣壓大小用單向節(jié)流閥控制升降速度。

4、控制電路

控制電路對焊接過程執(zhí)行程序控制。面板上功能鍵可根據(jù)焊接不同對象設(shè)定焊接時間延遲時間然后踩下腳踏開關(guān)焊機將自動完成一次焊接過程。

5、超聲功率發(fā)生器超聲功率發(fā)聲器向聲組件提供電功率。由于在焊接過程中聲組件的諧振頻率和阻抗將有較大變化所以超聲功率發(fā)聲器必須有頻率自動跟蹤的能力輸出功率受負載自動調(diào)節(jié)的能力。NC-3000型超聲波金屬點焊機采用他激振蕩;相位法自動頻率跟蹤;恒定振速控制。

根據(jù)IPC標準:要求超聲波焊接的線束寬厚比介于1:1和2:1之間;?線材不得出現(xiàn)任何變色;③在加壓面可辨識股線的輪廓但是沒有松散的股線。

所以根據(jù)以上要求及汽車線束生產(chǎn)的多規(guī)格要求對超聲波線束焊接機就有以下技術(shù)要求:

1. 超聲波振幅連續(xù)可調(diào)。由于超聲波能量在線束厚度方向會存在衰減對于越厚的線結(jié)需要的焊頭振幅就越大。超聲波振幅連續(xù)可調(diào)還可避免不同面積的電線表面變色。同一臺機器在焊接1mm²和焊接25mm²線束時振幅參數(shù)基本要相差30%。

2. 線頭夾具縫隙要求:≦0.02mm。超聲波焊是高能量密度的縫隙大就會造成卡線。

3. 質(zhì)量控制軟件。要求機器能對每個焊點做出質(zhì)量評判:判別何種情況下為焊接不良何種情況下為缺線等并作出警示。這也要求超聲波焊接有能量控制模式。