超声波金属焊接

超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。

1. 焊接材料不熔融，不脆弱金属特性^[1]
2. 焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零
3. 对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接
4. 焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料
5. 焊接无火花，环保安全

超声波应用于金属材料焊接中，虽然可以得到很好的焊接效果．但是超声波发生器和声学系统与机械系统相结合的整个系统．其稳定性、可操作性、可靠性等方面还存在问题。所以声学系统(换能器、变幅杆、连接部分)的设计，以及声学系统与试件的连接方式等，都是十分关键的问题。^[2]

对金属超声波焊接机理的认识不足。超声金属焊接是否无金属熔化。仅仅是一种固相焊接方法，或者说是金属间的“键和”过程，还有待进一步研究。超声波金属焊接影响工艺参数因素较多，不易进行总结。

由于焊接所需的功率随工件厚度及硬度的提高而呈指数增加，而大功率超声波焊机的制造困难，且成本很高。随着焊接功率的进一步提高。不仅在声学系统的设计及制造方面将会面临一系列较难解决的问题，而且未必能取得预期的工艺效果。因此目前仅限于焊接丝、箔、片等细薄件。

超声波焊机的“开敞性”比较差，工件的伸入尺寸也不能超过焊接系统所允许的范围。接头形式目前只限于搭接接头。焊点表面容易出高频机械振动而引起边缘的疲劳破坏。对焊接硬而脆的材料不利。对超声波焊接的焊接质量的检测还是比较难做的，无损检测设备还没有普及，常用方法无法用来监控，这也给大批量生产造成一定困难。

• 镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔^[3]
• 锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔.
• 电线互熔，偏结成一条与多条互熔
• 电线与名种电子元件、接点、连接器互熔
• 名种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔
• 电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔
• 金属管的封尾、切断可水、气密

振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数，相当于铬铁的温度。温度达不到就会熔接不上，温度过高就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。

选择的换能器不同，换能器输出的振幅都不同，经过适配不同变比的超声波变幅杆及焊头，能够校正焊头的工作振幅以符合要求。通常换能器的输出振幅为10—20μm，而工作振幅一般为30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状，前后面积比等因素有关。

形状来说如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等，对变比影响很大，前后面积比与总变比成正比。选用的是不同品牌的焊接机，最简单的方法是按已工作的焊头的比例尺寸制作，能保证振幅参数的稳定。

任何的超声波焊接机都有一个中心频率，例如 20KHz、40 KHz 等，焊接机的工作频率主要由超声波换能器（Transducer）、超声波变幅杆（Booster）、和焊头（Horn）的机械共振频率所决定。

超声波发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。超声波发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围。

一般设定为±0.5 KHz，在此范围内焊接机基本都能正常工作，我们制作每一个焊头时，都会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于 0.1 KHZ。20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在 19.90—20.10 KHZ，误差小5‰。

焊头、超声波变幅杆均被设计为一个工作频率的半波长谐振体，在工作状态下，两个端面的振幅最大，应力最小， 而相当于中间位置的节点振幅为零，应力最大。

节点位置一般设计为固定位，但通常的固定位设计时厚度 要大于 3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定为零振幅，这样就会引致一些叫声和一部分的能量 损失，对于叫声通常用橡胶圈同其它部件隔离，或采用隔声材料进行屏蔽，能量损失在设计振幅参数时予以考虑。

超声波金属焊接通常会在焊接位表面，底座表面设计网纹，网纹设计的目地在于防止金属件的滑动，尽可能将能量传递到熔接位。网纹设计一般有方形、菱形、条形网纹。黄金手饰等金属包覆焊头与底座根椐要 求不能设计纹路，网纹的大小与深浅根据具体的焊接材料要求来确定。

金属焊接装置使用的超声波电源和供塑料焊接装置使用的超声波电源没有很大的区别。

特殊性在于焊接金属具有更高的要求，为了满足金属焊接的需要， 必需使用智能化的超声波电源--超声波发生器。超声波发生器具有频率自动跟踪系统，在焊接过程中机械装置 或电子元件的工作情况发生变化会引起振动频率的改变，

超声波发生器将跟踪振动系统的频率，使发生器和振动系统之间一直处于谐振状态，频率自动 跟踪系统能够补偿在焊接过程中出现的工作状态改变，使系统重新处于谐振状态并保正焊接参数的稳定， 重点是振幅的稳定，这对于金属焊接具有非常重要的意义。

供金属焊接装置使用的换能器和供塑料焊接装置使用的换能器没有很大的区别，特殊性在于焊接金属具有更高质量的要求，因为在焊接金属时往往需要很大的瞬间功率，要求换能器有高的功率容量和低的阻抗，不用使用塑料焊接装置使用的换能器。

焊头在工作时会有一定的发热现象，这是由于材料本身的机械损耗及焊件发热传导所致。焊头发热是否正常判断标准为不带负载（即不接触工件）时，连续发射超声波半小时以上，温度不能够超过50-70℃，如发热历害，证明焊头已损坏或材料不合格，需要更换。^[4]

当焊头工作时出现啸叫时，应分析以下原因：

• 安装螺丝是否已松动
• 焊头是否产生裂纹
• 焊头是否和不应接触的物件相接触

当发生器发出过载警报时，应按如下步骤进行检查：

• 空载测试，如工作电流正常，则可能是焊头接触到不应接触的物件或焊头与焊座之间的参数调节出现故障。
• 空载测试不正常时，应首先观察焊头是否有裂纹，安装是否牢固，然后拆下焊头再进行空载测试，排除是否是换能器＋变幅杆出现问题，一步步进行排除。排除掉换能器＋变幅杆出现故障的可能性后，将新的焊头拆换以判断。
• 有时会出现空载测试正常，而不能正常工作的情况，有可能是焊头等声能原件内部发生变化，导致声能传递不畅，这里有一个比较简单的判断方法：手触摸法。正常工作的焊头或变幅杆表面工作时振幅是非常均匀的，手摸上去是丝绒般的顺滑，当声能传递不畅时，用手摸上去会有气泡或毛刺的感觉，这时就要采用排除法去排除有问题的部件。发生器不正常时，也能产生同样的情况，因为正常来说检测换能器输入波形时应为顺滑的正弦波，当正弦波上有尖峰或不正常波形时也能产生这种现象，这时可以用另外一整枝声能元件替换以判别。