超音波金屬焊接

超音波金屬焊接是利用超聲頻率的機械振動能量，連線同種金屬或異種金屬的一種特殊方法．金屬在進行超音波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力之下，將機械能轉變為內能、形變能及有限的溫升．兩母材達到再結晶溫度下發生的固相焊接．因此它有效地克服了電阻焊接時所產生的飛濺和氧化等現象．超聲金屬焊機能對銅、銀、鋁、鎳等有色金屬的細絲或薄片材料進行單點焊接、多點焊接和短條狀焊接．可廣泛套用於可控矽引線、熔斷器片、電器引線、鋰電池極片、極耳的焊接

基本介紹

• 中文名：超音波金屬焊接
• 外文名：Ultrasonics
• 導電性：好
• 優點在：快速、節能、
• 熔合：強度高

簡介

超音波金屬焊接利用高頻振動波傳遞到需焊接的金屬表面，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。

超音波金屬焊接-王強

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。

優點

• 焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。
  
• 焊接後導電性好，電阻率極低或近乎零。
  
• 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。
  

範圍

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。
   

影響因素

振幅

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。

選擇的超音波換能器不同，換能器輸出的振幅都不同，經過適配不同變比的超音波變幅桿及焊頭，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。選用的是不同品牌的焊接機，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。

頻率

任何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超音波換能器（Transducer）、超音波變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機械共振頻率所決定。

超音波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。超音波發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作範圍。

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。20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在 19.90—20.10 KHZ，誤差小5‰。

節點

節點、焊頭、超音波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。

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，盡可[span]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。

換能器

[span]供金屬焊接裝置使用的換能器和供塑膠焊接裝置使用的換能器沒有很大的區別，特殊性在於焊接金屬具有更高質量的要求，因為在焊接金屬時往往需要很大的瞬間功率，要求換能器有高的功率容量和低的阻抗，不用使用塑膠焊接裝置使用的換能器。

電源

金屬焊接裝置使用的超音波電源和供塑膠焊接裝置使用的超音波電源沒有很大的區別。[span]特殊性在於焊接金屬具有更高的要求，為了滿足金屬焊接的需要， 必需使用智慧型化的超音波電源--超音波發生器。

[span]超音波發生器具有頻率自動跟蹤系統，在焊接過程中機械裝置 或電子元件的工作情況發生變化會引起振動頻率的改變，[span]超音波發生器將跟蹤振動系統的頻率，使發生器和振動系統之間一直處於諧振狀態，頻率自動 跟蹤系統能夠補償在焊接過程中出現的工作狀態改變，使系統重新處於諧振狀態並保正焊接參數的穩定， 重點是振幅的穩定，這對於金屬焊接具有非常重要的意義。

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。

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，我們選擇的優質鋼材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。

故障分析

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。

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。

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。