超声波线束焊接工艺优势

超声波线束焊接工艺优势

发表时间：2019-03-12T10:25:00.360Z 来源：《基层建设》2018年第36期作者：陈钰

[导读] 摘要：随着科学技术的发展，我国的超声波线束焊接技术有了很大进展。

徐州徐工汽车制造有限公司江苏省徐州市 221100

摘要：随着科学技术的发展，我国的超声波线束焊接技术有了很大进展。在众多线束中，尤以铜质材料的线束应用最为广泛。由于铜制线束在这些设备中的长度可能高达几公里，所以为了便于能量和控制信号的传播，这些线束都是通过焊接或者压接的方式灵活有序地连接组织在一起的。超声波线束焊接作为一种线束之间的连接方式，以其独特的优点逐渐在那些对高质量电气结合性能的金属线束相关行业成为主流。

关键词：超声波焊接；发展状况；发展趋势

引言

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的接合。无论是超声波塑料焊接还是超声波金属焊接，基本原理都大致相同，但是由于金属材料与塑料的差异，超声波金属焊接要求有更高的精度以及更高的功率容量和低的阻抗，因此对超声波发生器和换能器等组件的要求更加严苛，正是这些要求，使得早期用于焊接塑料的超声波焊接装置和技术不能胜任金属材料的焊接。

1概述

①超声波：一种高于人类听力上限的声波。由于它可以产生高频率的振动，使得我们可以利用它来进行非铁金属焊接。②线束：线束是为一定的负载源提供电力或者信号的载体，其在设备内部就像血管和神经网络一样分布广泛，传输能量和控制信号。所以线束广泛应用于汽车、工程机械设备、农用设备、轮船、航空航天设备、家用电器等行业。而在众多线束中，尤以铜质材料的线束应用最为广泛。由于铜制线束在这些设备中的长度可能高达几公里，所以为了便于能量和控制信号的传播，这些线束都是通过焊接或者压接的方式灵活有序地连接组织在一起的。

2超声波金属焊接原理

超声波金属焊接是在19世纪30年代偶然发现的。当时在做电流点焊电极加超声振动试验时，发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清楚。它类似于摩擦焊，但有区别，超声波焊接时间很短，局部焊接区温度低于金属的再结晶温度；它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小得多。一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动除去金属表面的氧化物，并使粗糙表面的突出部分产生反复的微焊、变形和破坏而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件的界面处产生塑性变形。在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。目前较为公认的一种对超声波金属焊接原理的解释为：焊接金属材料时，由超声波发生器产生超生频率振动电流，再由换能器利用逆压电效应使之转换成弹性机械振动能，并通过声学系统向焊件输入。两被焊工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，并使纯净界面之间金属原子无限接近，产生结合与扩散，实现可靠连接。

3传统与现代的工艺区别

传统的电阻焊接方式在焊接时向线束输送大电流，导致线束金属温度急剧升高，直至熔融状态，从而破坏了金属固有的原子排列结构，导致焊接点的电阻显著升高，在电气传输过程中这个焊接点的电压降明显增大，不利于能量和信号的传输。同时也会导致焊接点的金属被氧化，从而使得焊接点容易发生脆性断裂。超声波线束焊接则是通过焊头将超声频率(超过人耳所能听到的声音频率)的机械振动能量施加在金属线束上，同时在金属线束上施加一定的压力，从而使得金属材质在一定的温升下产生原子之间的相互渗透和扩散，最终形成稳定的结合层实现线束之间的结合。而且超声波焊接的温升很有限，远远没有达到金属的熔点，所有金属固有的原子排列结构没有被破坏，焊接点保持金属导体特性，电阻基本没有变化，电压降小到可以忽略不计。同时因为金属固有的原子排列结构没有被破坏，金属线束的机械强度也就没有任何损失。同时超声波线束焊接相比传统的电阻焊接，由于不需要通过大电流促使金属温升到熔融状态，焊接时间大大缩短(一秒以内)，焊接效率显著提升，焊接过程既快速又节能。

4超声波焊接对导线摆放操作要求

在进行超声波焊接时，需要设置有关参数，比如：导线截面积、导线对齐方式、压强、焊接间距、振幅、宽度、压力、能量等。焊接过程中，导线应垂直重叠排列，并且大截面线应在下面靠近焊接工具头，以使焊接充分；导体应紧靠铁砧面放置，彼此紧贴在一起，以使焊接后有足够的坚固性；导体重叠的长度一般设置成13~15mm，重叠长度太短焊接强度不易保证，重叠长度太长焊接端头易形成翘起，对下道工序操作不便。焊接处表面不允许出现氧化、断丝、缺损和绝缘层熔化现象。

5关键的耗材问题

另外一种传统的线束连接方式是采用U型连接端子的冷冲压接，其需要根据节点线径总和选择尺寸合适的U型端子和压接设备，每个尺寸的U型端子都要定制专门的压接模具和钳口，通过冲压的方式将线束借助U型端子连接在一起。U型连接端子的冷冲压接在焊接点只是不同线束压接在一起，没有原子之间的渗透和扩散，所以焊接点电阻比较大，电压降比较显著。而它的冷冲压接的监控只有压力一个参数，压接品质不易控制。相反，超声波线束焊接不需要任何耗材(如U型端子)和定制不同尺寸的模具和钳口，焊接成本大大降低。同时在焊接过程中，通过监控超声波焊接能量、时间、振幅和压力可以在线监控焊接品质，确保焊接品质的一致性。

6制约国内超声波金属焊接技术发展的几个关键因素

(1)换能器功率：换能器是超声波焊接设备的核心部件，金属超声波焊接要求换能器有大的功率容量、长时间的小衰减。国内大部分公司的20KHz换能器往往只能承受约1500W的负载，这和国际上领先制造商的同类产品能达到5000W还存在很大的差距，国内也尚未有见到掌握大功率超声波换能器的推-挽技术的报道。(2)超声波发生器：稳定的超声波发生器的要求必须具有频率自动跟踪功能，这样可以保证换能器系统能够始终工作在谐振状态，即达到焊头振幅的最大化。国内很多公司采用的是自激式的全桥或半桥电路，不具备频率自动跟踪的功能。这样造成的问题是当电感及电容的参数确定时，发生器的谐振频率就是个定值，不会随着温度或负载的变化而变化，而焊头及换能器的频率会随着温度及负载的变化而产生偏移，这样，焊头的振幅就会随着频率的偏移而大幅下降，这直接会导致焊接参数的变化，影响焊接稳定性。(3)焊头材料的性能：超声波金属焊接要求有高度耐磨的焊头，这样就要求焊头材料具有高硬度的性质，而超声波焊接技术本