超聲波焊接的研究與展望

陳懷防 等

摘要：超聲波焊接的節(jié)能、環(huán)保、操作方便等突出優(yōu)點，越來越受到人們的重視。超聲波焊接已廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。本文簡單介紹了超聲波焊接的基本原理。概述了超聲波焊接的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，并對超聲波焊接的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：超聲波 焊接 研究現(xiàn)狀

0 引言

1950年美國人發(fā)明了超聲波焊接技術(shù)，該技術(shù)作為特種連接技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。另外，超聲波焊接技術(shù)還廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、電器制造、新材料的裝備、航空航天及核能工業(yè)、食品包裝盒、高級零件的密封技術(shù)等方面。超聲波焊接的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：節(jié)能、環(huán)保、操作方便，這種技術(shù)對我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會起著很大的促進(jìn)作用。

1 超聲波焊接原理及特點[1]

超聲波焊接作為一種特殊焊接方法，通常情況下是指利用超聲波頻率（大于16KHZ）的機械振動能量，將同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等進(jìn)行連接。通過超聲波對金屬進(jìn)行焊接時，一方面不需要向工件輸送電流，另一方面沒有將高溫?zé)嵩匆牍ぜ?，在焊接過程中，在靜壓力的作用下，將彈性震動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能，以及有限的溫升等。在母材不發(fā)生熔化的情況下，實現(xiàn)接頭間的冶金結(jié)合，因此，超聲波焊接屬于固態(tài)焊接。

工頻電流在超聲波發(fā)生器的作用下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡l率（15～16KHZ）d的振蕩電流。通過磁致收縮效應(yīng)，換能器將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機械振動能。放大器的作用是對振幅進(jìn)行放大，同時借助耦合桿和上聲極與并工件進(jìn)行耦合。如果換能器、放大器、耦合桿和上聲極的自振頻率相互一致，在這種情況下，系統(tǒng)將會產(chǎn)生諧振，從而將彈性振動能傳遞給靜壓力F的工件。兩種薄材工件通過此種能量之間的轉(zhuǎn)換被粘接在一起。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀

崔巖[2]研究超聲波焊在坦克鋁件焊修中的應(yīng)用，對鋁及鋁合金的焊接性進(jìn)行了詳盡的分析，認(rèn)為保證焊點質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素是諧振頻率的精度。在超聲波焊接過程中，由于機械負(fù)荷是多變的，失諧現(xiàn)象會隨機出現(xiàn)，進(jìn)而使得焊點質(zhì)量不穩(wěn)定。根據(jù)超聲波焊的特點，制訂相應(yīng)的焊接規(guī)范。大量實驗證明：通過超聲波對鋁及鋁合金進(jìn)行焊接，金屬表面致密的氧化膜可以有效地去除，進(jìn)而保證了焊接質(zhì)量。

華南理工大學(xué)楊圣文等人[3]推導(dǎo)了銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接接頭區(qū)域理論區(qū)域溫度公式，并利用人工熱電偶法測得焊接區(qū)域溫度，分析了實測溫度偏差產(chǎn)生的原因，結(jié)合焊接接頭的掃描電鏡（SEW）圖片進(jìn)行對比分析，研究了銅片-銅管超聲波焊接接頭的形成機理。結(jié)果表明：超聲波焊接是基于接頭區(qū)域微齒頂端處高溫、純凈金屬發(fā)生塑性變形后表面充分貼合兩個因素基礎(chǔ)上的金屬鍵合和機械嵌合而形成接頭的物理冶金過程。

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院的張秋峰[4]研究了1Cr18Ni9Ti與TC4異種金屬的固態(tài)擴散焊接工藝，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上采用超聲波加載固態(tài)擴散焊的工藝。金相試驗分析結(jié)果表明：采用超聲波加載擴散焊接工藝，使不銹鋼和鈦形成了良好的連接。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆久春、孫小磊[5]等，在敞開環(huán)境下研究了一種適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且能夠進(jìn)行可靠連接的“超聲波振動輔助釬焊技術(shù)”原理，同時對鋁基復(fù)合材料、鋁合金、陶瓷/鋁、玻璃/鋁焊接的初步試驗結(jié)果進(jìn)行了描述。焊接結(jié)果表明：在釬焊過程中，通過施加適當(dāng)?shù)某暡ㄕ駝樱覆谋砻嫜趸た梢杂行У厝コ?，進(jìn)一步促進(jìn)了母材與釬料的潤濕。在低溫、大氣環(huán)境下，獲得了具備微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能良好的連接接頭。

南昌大學(xué)的朱政強等人[6]用電子背散射衍射（EBSD）方法來研究超聲波焊接下鋁合金AA6061的微觀組織變化，從微觀角度里加深對超聲波金屬焊接的理解。通過實驗，得到原始鋁箔和焊接后鋁箔的品粒取向差分布圖。通過分析品粒取向、晶粒結(jié)構(gòu)和晶界特征了解超聲波焊接對鋁合金組織和結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 超聲波非金屬焊接的研究現(xiàn)狀

郭毓峰[7]對12μm聚對笨二甲酸乙二醇酯（PET）/30μm聚乙烯（PE）薄膜超聲波焊接工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焊接振幅在2-10μm，對焊接接頭熱合強度的影響不大；在焊接振幅4-7μm出現(xiàn)了焊接接頭的熱合強度最大值。焊接接頭的熱合強度隨著焊接時間的延長和焊接壓力的增大表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。通過對不同工藝參數(shù)下焊接區(qū)域的結(jié)晶程度進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示，接頭的結(jié)晶程度影響著PET/PE薄膜焊接接頭熱合強度，焊接區(qū)域試樣的結(jié)晶程度隨著焊接時間、焊接振幅、焊接壓力增加先減小后增大，焊接接頭的熱合強度先升高后降低。

趙鋼[8]等人研究超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應(yīng)用。講述了通過對材料、焊接方法的選擇和焊口及工裝設(shè)計與制造過程設(shè)計，來實現(xiàn)汽車傳感器封裝的方法。

趙仕彬[9]研究了超聲波焊接在連接器中的應(yīng)用。簡明扼要地介紹了超聲波焊接的原理，結(jié)合面的設(shè)計方法、設(shè)計要點，以及在連接器中的具體應(yīng)用和使用范圍。

西北工業(yè)大學(xué)的聶中明[10]研究了高電阻CdZnTe半導(dǎo)體（簡稱CZT）接觸電極與引線的超聲波焊接。認(rèn)為：CZT晶片經(jīng)機械拋光表面處理后，通過離子濺射法制備的金電極與外引線間具有較高的超聲波焊合率，能獲得最佳焊點質(zhì)量的電極厚度為180nm。此外，確定CZT接觸電極制備工藝后，楔入壓力成為影響CZT接觸電極與引線超聲波焊接質(zhì)量的主要因素，焊接功率則為次要因素。

3 總結(jié)

目前，對超聲波金屬的焊接機理認(rèn)識不足，超聲金屬焊接作為一種固相焊接方法，或者說是金屬間的“鍵合”過程，在焊接過程中，是否無金屬熔化還有待進(jìn)一步研究。還有在材料焊接中應(yīng)用超聲波，雖然焊接效果比較好，但是對于由超聲波發(fā)生器、聲學(xué)系統(tǒng)與機械系統(tǒng)相結(jié)合的整個系統(tǒng)來說，在穩(wěn)定性、可操作性、可靠性等方面依然存在問題，所以聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，以及聲學(xué)系統(tǒng)與試件之間的連接方式等都非常重要。另外，從微觀力學(xué)的角度研究超聲波振動對晶粒和織構(gòu)的影響也是未來研究的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小明，李彥生，韓景蕓.基于超聲波焊接技術(shù)的快速成型方法研究[J].機床與液壓，2007，35（3）：4-6.

[2]崔巖.超聲波焊在坦克鋁件維修中的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2000，19（3）：114-116.

[3]楊圣文，吳澤群，陳平池.銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接試驗研究[J].焊接，2005（9）：32-35.

[4]張秋峰.鈦與不銹鋼的超聲波擴散焊接[J].機械工程與自動化，2008（1）：125-127.

[5]閆久春，孫小磊.超聲波振動輔助釬焊技術(shù)[J].焊接，2009（3）：6-12.

[6]朱政強，馬國紅，E.Ghassemieh.鋁合金AA6061超聲波焊接下組織演變分析[A].第七屆中國機器人焊接學(xué)術(shù)與技術(shù)交流會議文集[C]，2008：107-110.

[7]郭毓峰.聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超聲波焊接[J].宇航材料工藝，2010（4）：53-55.

[8]趙鋼，曹智，董雙輝.超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應(yīng)用[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007（4）：25-28.

[9]趙仕彬.超聲波焊接在連接器中的應(yīng)用[J].機電元件，2006（4）：36-39.

[10]聶中明，傅莉，任潔，查鋼強.CdZnTe接觸電極與引線的超聲波焊接[J].中國有色金屬學(xué)報，2009，19（5）：919-923.