超声波焊接的基本原理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：可以认为，超声波焊时，界面薄层或局部发生了短时熔化及随后的高速冷却过程。

1.焊接原理

超声波焊的基本原理如图2-5-23所示，焊件8被夹持在上声极7和下声极9之间，并施加一定的压力进行焊接。所需的焊接热能是通过一系列能量转换及传递环节而获得的，超声波发生器是一个变频装置，它将工频电流转变为超声频（15～60kHz）的振荡电流。换能器则利用逆压电效应转换成弹性机械振动能。传振杆、聚能器用来放大振幅，并通过耦合杆、上声极传递到工件。换能器、传振杆、聚能器、耦合杆及上声极构成一个整体，称为声学系统。声学系统各个组元的自振频率将按同一个频率设计。当发生器的振荡电流频率与声学系统的自振频率一致时，系统即产生了谐振（共振），并向工件输出弹性振动能。

图2-5-23 超声波焊原理

1—超声波发生器 2—换能器 3—传振杆 4—聚能器 5—耦合杆 6—静载 7—上声极 8—焊件 9—下声极

F—静压力 υ₁—纵向振动方向 υ₂—弯曲振动方向

超声波焊时，超声波发生器1产生每秒几万次的高频振动，通过换能器2、传振杆3、聚能器4和耦合杆5向焊件输入超声波频率的弹性振动能。两焊件的接触界面在静压力和弹性振动能量的共同作用下，通过摩擦、温升和变形，使氧化膜或其他表面附着物被破坏，并使纯净界面之间的金属原子无限接近，实现可靠连接。当金属构件焊接时，伴随界面的物理冶金过程，原子产生结合与扩散，整个焊接过程没有电流流经焊件，也没有火焰或电弧等热源的作用，而是一种特殊的焊接过程，具有摩擦焊、扩散焊或冷压焊的某些特征。当塑料材料进行连接时，由于两焊件界面处的声阻大，产生局部高温，致使接触面迅速熔化，在压力的作用下使其熔合为一体；当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固定型，形成坚固的分子链，达到焊接的目的，其接头强度和母材相近。

2.接头形成机理

（1）接头形成过程超声波焊的焊接过程与电阻焊类似，由“预压”、“焊接”和“维持”3个步骤形成一个焊接循环，从接头形成的微观机理上分析，超声波焊经历了以下3个阶段。

1）振动摩擦阶段：超声波焊的第一个过程主要是摩擦过程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为几十微米。这一过程的主要作用是排除工件表面的油污、氧化物等杂质，使纯净的金属表面暴露出来。焊接时，由于上声极的超声振动，使其与上焊件之间产生摩擦而造成暂时的连接，然后通过它们直接将超声振动能传递到焊件间的接触表面上，在此产生剧烈的相对摩擦，由初期个别凸点之间的摩擦，逐渐扩大摩擦面，同时破坏、排挤和分散表面的氧化膜及其他附着物。

2）温度升高阶段：在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升高（焊接区的温度约为金属熔点的35%～50%），变形抗力下降，在静压力和弹性机械振动引起的交变切应力的共同作用下，焊件间接触表面的塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊接材料内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。

3）固相接合阶段：随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接触部分的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至形成涡流状的塑性流动层（图2-5-24），出现焊件间的机械咬合。焊接初期咬合点较少，咬合面积也较少，接合强度不高，很快被超声振动所引起的剪切应力所破坏。随着焊接过程的进行，咬合点数和咬合面积逐渐增加，当焊件之间的结合力超过上声极与上焊件之间的结合力时，切向振动不能切断焊件之间的结合，形成牢固的接头。

图2-5-24 超声波焊点区的涡流状塑性流动层

超声波焊焊接接头的形成主要由振动剪切力、静压力和焊区的温升三个因素所决定，它们之间相互影响，相互制约，并和工件的厚度、表面状态及其常温性能有关。

（2）接头组织特征超声波焊的焊接接头呈现出复杂的组织结构，通过光学显微镜和电子显微镜观察可知，界面组织发生了相变、再结晶、扩散以及金属间的键合等冶金现象，是一种固相焊接过程，可以从四个方面分析接头的形成机理。

1）机械嵌合：超声波焊焊接接头中常见到两焊件接触处形成塑性流动层，并呈现犬牙交错的机械嵌合，这种嵌合对连接强度起到有利的作用，但并不是金属的连接，在金属与非金属之间的超声波焊接时，这种机械嵌合作用占主导地位。

2）金属原子间的键合：在超声波焊接接头中，焊接界面之间存在大量被歪扭的晶粒，这些晶粒是跨越界面的“公共晶粒”，其尺寸与母材金属的晶粒无明显差别，接头不存在明显的界面，两材料之间通过金属原子的键合而连在一起。可以认为，在焊接开始时，待焊接材料在摩擦功的作用下发生强烈的变形和塑性流动，特别是氧化膜去除或破碎以后，为纯净金属表面之间的接触创造了条件，而继续的超声弹性机械振动以及温升，又进一步使金属晶格上的原子处于受激状态，当金属原子相互接近到0.1～0.3nm时，就有可能出现原子间相互作用的反应区，形成金属键。

3）金属间的物理冶金过程：超声波焊中还存在着由于摩擦生热所引起的再结晶、扩散、相变以及金属间化合物形成等冶金过程。到目前为止，该方面的研究较少，缺乏必要的证据，特别是短时间焊接时，接头中不一定出现再结晶组织或相变，但仍然能够形成接头，由此可知，再结晶、扩散和相变不是形成接头的必要条件。

4）界面微区的熔化现象：超声波焊时，微区焊接温度很难精确测量，不能排除微区中出现局部熔化现象。用高倍透射电子显微镜对0.4mm厚的各种Al和Cu接头进行了微观组织分析，发现同种材料的焊缝厚度在微米范围内，焊缝区的晶粒尺寸只有0.05～0.2μm，而轧制母材的晶粒尺寸为5～50μm。如果用一般的方法将母材经过塑性变形和低于熔点的不同温度退火，此时再结晶形成的晶粒尺寸均大于3μm，而没有发现更细小的晶粒。当Al和Cu进行超声波焊时，也同样发现连接区有焊接时新形成的微细晶粒，而且都是等轴晶粒，电镜分析中还观察到连接区微细晶粒边界的转角处有非熔化质点存在，这正是含有非熔解质点的金属加热熔化后发生凝固的特点。可以认为，超声波焊时，界面薄层或局部发生了短时熔化及随后的高速冷却过程。

超声波焊接的基本原理

相关推荐