超音波金屬焊接是19世紀30年代偶然發現的。它類似於摩擦焊，但有區別，超聲焊接時間很短，溫度低於再結晶；它與壓力焊也不相同，因為所加的靜壓力比壓力焊小的多。一般認為在超音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，並是粗糙表面的突出部分產生反覆的微焊和破壞的過程而使接觸面積增大，同時使焊區溫度升高，在焊件交界面產生塑性變形。這樣在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發生作用的距離時，即形成焊點。焊接時間過長，或超音波振幅過大會使焊接強度下降，甚至破壞。
基本介紹
- 中文名：超音波金屬焊接
- 外文名：Ultrasonic metal welding machine
- 運用：適用於有色金屬材料實施瞬間焊接
- 缺點：所焊接金屬件薄，焊點小，需加壓
- 可能故障：嘯叫，過載，發熱
由來,原理,技術要求,特點和優缺點,特點：,優點：,缺點：,套用：,套用舉例：,基礎知識,故障分析,
由來
超音波金屬焊接機英文注釋：Ultrasonic metal welding machine，超音波金屬焊接是19世紀30年代偶然發現的。當時在作電流點焊電極加超聲振動試驗時，發現不通電流也能焊接上，因而發展了超聲金屬冷焊技術。超音波焊接雖然發現較早，但是到目前為止，其作用機理還不是很清楚。它類似於摩擦焊，但有區別，超聲焊接時間很短，溫度低於再結晶；它與壓力焊也不相同，因為所加的靜壓力比壓力焊小的多。一般認為在超音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，並是粗糙表面的突出部分產生反覆的微焊和破壞的過程而使接觸面積增大，同時使焊區溫度升高，在焊件交界面產生塑性變形。這樣在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發生作用的距離時，即形成焊點。焊接時間過長，或超音波振幅過大會使焊接強度下降，甚至破壞。
原理
超音波金屬焊接是利用額每秒鐘數萬次的高頻振動波傳遞到兩個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，達到焊接的目的。
技術要求
1. 首先，工作方式不一樣。通常，超音波塑膠焊接中焊頭振動方向垂直於焊位，超音波金屬焊接中焊頭振動方向平行於焊位。有些特殊情況下，塑膠焊也可採用平行方向，如較薄的塑膠件。
2. 其次，由於超音波套用於焊接金屬，對超音波焊接技術提出了更高的要求；相對於普通的塑膠焊接，對功率容量、功率密度、穩定性及自動化控制等各個方面的要求，不是同一個級別。現國內超音波塑膠焊接用發生器基本都採用自激式電路，典型代表為：8400、8700全橋電路及台灣機器常用的半橋電路，顯著特點為有個調諧電感。如果將現有的用於塑膠焊接的成熟技術直接轉嫁到金屬焊上，其技術上的先天不足，將導致產品的不穩定使用；其唯一的優勢就是價格便宜，但對於金屬焊本身的高要求，這點優勢是很蒼白的。
1． 高功率容量、穩定的超音波發生器：
穩定的超音波發生器首先要求為：頻率自動跟蹤。頻率自動跟蹤能保證換能器系統能工作在諧振狀態，即焊頭振幅的最大化。採用頻率自動跟蹤技術，更換模具及工作時無須調頻，才是用於金屬焊的基本要求。有可調電感手動調頻率的設備，基本都滿足不了要求。
穩定的超音波發生器還要要求：恆振幅功能及振幅的無級可調。恆振幅功能，它能保證焊接的一致性，為穩定生產的關鍵；振幅的無級可調是保障設備用途的基本，例如在同一設備上通過參數調整既能焊銅，也能焊鋁材料。
高功率容量：金屬焊相對於塑膠焊，要求高的能量密度，必然有相對高的功率容量，如20kHz的機器，基本上要求3000W以上的功率容量。很多公司對於功率容量經常出現虛假標稱，那我們只需和他們所做的塑膠焊機比較一下即可，因為塑膠焊機標稱太高是無人信的。
2． 高品質焊頭：金屬焊作為工業用途，必然要求高壽命的焊頭。
3． 高品質換能器：如20kHz的換能器，必須能長期承受3kw以上負載。很多公司的換能器，用普通塑膠焊的換能器，外觀上很難分辨，這是不負責任的做法。
4． 優質控制系統：具有焊接能量、時間、高度三種基本控制模式，多種質控軟體滿足不同需求。
特點和優缺點
特點：
(1)、兩被焊接物體重疊,經超聲振動加壓接合成固態形式,接合時間短,且接合部分不產生鑄造組織（粗糙面）缺陷。
(2)、超聲焊與電阻焊方法比較，模具壽命長，模具整修與替換時間少，而且易於實現自動化。
(3)、同種金屬不同種金屬之間均可以進行超聲焊接，與電氣焊相比耗費能量少得多。
(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40%-90%。
(5)、超聲焊接不像其他焊接那樣要求進行被焊表面的預處理及焊後的後處理。
(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降到最低（焊區的溫度不超過被焊金屬絕對熔化溫度的50%）,從而不使金屬結構變化，因此很適合電子領域中的焊接套用。
優點：
熔合強度高；
接近冷態加工、工件不退火、無氧化痕跡；
焊接後導電性好，電阻係數極低或近乎零；
對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接；
焊接時間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。
焊接無火花，環保全全。
缺點：
是所焊接金屬件不能太厚，焊點不能太大，需要加壓。
套用：
適用於銅、鋁、錫、鎳、金、銀、鉬、不銹鋼等有色金屬材料薄板、細棒、絲、片、帶等材料實施瞬間焊接，總厚度可達2-4mm。
套用舉例：
鎳氫電池鎳網與鎳片互熔。 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，偏結成一條與多條互熔，線束焊接。 電線與各種電子元件、接點、連線器互熔。 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、無熔絲開關等大電流接點，異種金屬片的互熔。 金屬管的封尾、切斷可水、氣密。
基礎知識
1、超音波金屬焊接機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，其優點在於快速、節能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態加工；缺點是所焊接金屬件不能太厚（一般小於或等於5mm）、焊點位不能太大、需要加壓。
2、焊接優點：
1）、焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。
2）、焊接後導電性好，電阻係數極低或近乎零。
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，環保全全。
3、超音波金屬焊接適用產品：
1）、鎳氫電池鎳氫電池鎳網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，偏結成一條與多條互熔。
4）、電線與名種電子元件、接點、連線器互熔。
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、無熔絲開關等大電流接點，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
振幅對於需要焊接的材料來說是一個關鍵參數，相當於鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。因為每一間公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經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，前後面積比等因素有關，形狀來說如指數型變幅、函式型變幅、階梯型變幅等，對變比影響很大，前後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，最簡單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸製作，能保證振幅參數的穩定。
5、 頻率參數
任何公司的超音波焊接機都有一個中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機的工作頻率主要由換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機械共振頻率所決定，發生器的頻率根據機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作範圍，如一般設定為±0.5 KHz，在此範圍內焊接機基本都能正常工作.我們製作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小於0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰。
6、 節點
焊頭、變幅桿均被設計為一個工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當於中間位置的節點振幅為零，應力最大。節點位置一般設計為固定位，但通常的固定位設計時厚度要大於3mm，或者是凹槽固定，所以固定位並不是一定為零振幅，這樣就會引致一些叫聲和一部分的能量損失，對於叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或採用隔聲材料進行禁止，能量損失在設計振幅參數時予以考慮。
7、 網紋
超音波金屬焊接通常會在焊接位表面，底座表面設計網紋，網紋設計的目地在於防止金屬件的滑動，儘可能將能量傳遞到熔接位。網紋設計一般有方形、菱形、條形網紋。黃金手飾等金屬包覆焊頭與底座根椐要求不能設計紋路，網紋的大小與深淺根據具體的焊接材料要求來確定。
8、 加工精度
超音波焊頭因為工作於高頻振動情況下，應儘量保持一個對稱設計，以避免聲波傳遞的不對稱性導致的不均衡應力及橫向振動（我們所用於焊接的焊頭利用的是超音波振動的縱向傳遞，對於整個諧振系統而言），不均衡振動能導致焊頭髮熱及斷裂。超音波焊接套用於不同行業對加工精度要求是不同的，對於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，我們所有的加工設備均採用數控設備（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
一隻焊頭的使用壽命關鍵決定於兩個方面：一、材料，二、工藝
材料方面：超音波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過程中機械損耗小）好的特點，所以最常用的材料為鋁合金及鈦合金，但超音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，因為硬度和韌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，我們選擇的優質鋼村料能夠比較好地解決這個矛盾，使焊頭的有效壽命儘量地提高。
工藝方面:包括有加工工藝及後續處理工藝，加工工藝在前面已詳細描述過，後續處理包括熱處理及參數的修整，基於我公司選擇的材料，我們有獨創的熱處理工藝去保證；在每一個焊頭製作完成後，單獨都要進行參數的測定及調整，以保證出品。
10、 金屬相熔性
上圖互熔性謹供參考，具體應以實驗為準
故障分析
1、發熱
焊頭在工作時會有一定的發熱現象，這是由於材料本身的機械損耗及焊件發熱傳導所致。焊頭髮熱是否正常判斷標準為不帶負載（即不接觸工件）時，連續發射超音波半小時以上，溫度不能夠超過50-70℃，如發熱厲害，證明焊頭已損壞或材料不合格，需要更換。
2．嘯叫
當焊頭工作時出現嘯叫時，應分析以下原因：
① 安裝螺絲是否已鬆動
② 焊頭是否產生裂紋
③ 焊頭是否和不應接觸的物件相接觸。
2、 過載
當發生器發出過載警報時，應按如下步驟進行檢查：
① 空載測試，如工作電流正常，則可能是焊頭接觸到不應接觸的物件或焊頭與焊座之間的參數調節出現故障。
② 空載測試不正常時，應首先觀察焊頭是否有裂紋，安裝是否牢固，然後拆下焊頭再進行空載測試，排除是否是換能器+變幅桿出現問題，一步步進行排除。排除掉換能器+變幅桿出現故障的可能性後，將新的焊頭拆換以判斷。
③ 有時會出現空載測試正常，而不能正常工作的情況，有可能是焊頭等聲能原件內部發生變化，導致聲能傳遞不暢，這裡有一個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振幅是非常均勻的，手摸上去是絲絨般的順滑，當聲能傳遞不暢時，用手摸上去會有氣泡或毛刺的感覺，這時就要採用排除法去排除有問題的部件。發生器不正常時，也能產生同樣的情況，因為正常來說檢測換能器輸入波形時應為順滑的正弦波，當正弦波上有尖峰或不正常波形時也能產生這種現象，這時可以用另外一整枝聲能元件替換以判別。
