超声波焊接技术论文
超声波焊接技术的研究与展望
摘要:超声波焊接具有节能、环保、操作方便等突出优点，越来越受到人们的重视。超声波焊接已广泛应用于许多领域。简要介绍了超声波焊接的基本原理。总结了国内超声波焊接的发展，并对超声波焊接的发展进行了展望。
关键词:超声波焊接研究现状
0简介
1950年，美国人发明了超声波焊接技术，作为一种特殊的连接技术，广泛应用于工业生产中。此外，超声波焊接技术还广泛应用于电子工业、电器制造、新材料设备、航空航天和核能工业、食品包装盒、先进零件的密封技术等。超声波焊接的优点是节能、环保、操作方便。这项技术对我国建设资源节约型和环境友好型社会起到了巨大的推动作用。
1超声波焊接的原理和特点[1]
超声波焊接作为一种特殊的焊接方法，通常是指利用超声波频率(大于16KHZ)的机械振动能量来连接相同或不同的金属、半导体、塑料和金属陶瓷。用超声波焊接金属时，一方面不需要给工件通电流，另一方面也不会有高温热源引入工件。在焊接过程中，在静压力的作用下，弹性振动能量转化为摩擦功、变形能和工件间有限的温升。在母材不熔化的情况下，实现了接头之间的冶金结合，所以超声波焊接属于固态焊接。
在超声波发生器的作用下，工频电流进一步转化为超声波频率为(15 ~ 16 kHz) d的振荡电流，换能器通过磁致伸缩效应将电磁能转化为弹性机械振动能。放大器的作用是放大振幅，同时通过耦合杆和上声电极与工件耦合。如果换能器、放大器、耦合杆和上超声焊极的固有频率相互一致，在这种情况下，系统会产生共振，从而将弹性振动能量传递给具有静压力f的工件，两个薄工件通过这种能量转换粘合在一起。
2国内研究现状
2.1超声波金属焊接的研究现状
崔岩[2]研究了超声波焊接在坦克铝件焊接修复中的应用，对铝及铝合金的焊接性做了详细的分析。他认为保证焊点质量稳定的重要因素是谐振频率的准确性。在超声波焊接过程中，由于机械载荷是可变的，会随机出现失谐现象，使焊点质量不稳定。根据超声波焊接的特点，制定了相应的焊接规范。大量实验证明，铝及铝合金的超声波焊接可以有效去除金属表面致密的氧化膜，从而保证焊接质量。
华南理工大学杨圣文等[3]推导了铜片-铜管太阳能集热器超声波焊接接头的理论区域温度公式，并用人工热电偶法测量了焊接区域温度，分析了测量温度偏差的原因，并与扫描电镜(SEW)图片进行了对比分析，研究了铜片-铜管超声波焊接接头的形成机理。结果表明，超声波焊接是基于两个因素形成接头的物理冶金过程:接头区域微齿尖端的高温和塑性变形后纯金属表面的完全粘附。
南京航空航天大学机电工程学院张[4]研究了1Cr18Ni9Ti和TC4异种金属的固态扩散焊接工艺，在现有基础上采用了超声波加载固态扩散焊接工艺。金相检验结果表明，采用超声加载扩散焊接工艺，不锈钢与钛形成了良好的连接。
闫久春，哈尔滨工业大学的孙等[5]。研究了一种适用于复杂结构并能在开放环境中可靠连接的结构。超声波振动辅助钎焊技术？同时介绍了铝基复合材料、铝合金、陶瓷/铝和玻璃/铝焊接的初步试验结果。焊接结果表明，钎焊时施加适当的超声波振动可以有效去除母材表面的氧化膜，进一步促进了母材和钎料的润湿。在低温大气环境下，获得了具有良好显微组织和力学性能的接头。
南昌大学朱等人[6]利用电子背散射衍射(EBSD)方法研究了铝合金AA6061在超声焊接下的微观组织变化，从微观角度加深了对超声金属焊接的认识。通过实验，得到了原铝箔和焊接铝箔取向差的分布图。通过分析晶粒取向、晶粒结构和晶界特征，了解超声波焊接对铝合金显微组织和结构的影响。
2.2超声波非金属焊接的研究现状
郭玉峰[7]12？m聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/30？研究了M聚乙烯(PE)薄膜的超声波焊接工艺，发现焊接振幅为2-10？m对焊接接头的热封强度影响不大；焊接振幅为4-7时？焊接接头的最大热封强度出现在m处，随着焊接时间的延长和焊接压力的增大，焊接接头的热封强度先增大后减小。通过分析不同工艺参数下焊接区的结晶度，结果表明接头的结晶度影响PET/PE薄膜焊接接头的热封强度，随着焊接时间、焊接振幅和焊接压力的增加，焊接区试样的结晶度先减小后增大，而焊接接头的热封强度先增大后减小。
赵刚[8]等人研究了超声波焊接在汽车传感器封装中的应用。摘要:通过材料和焊接方法的选择、焊接接头和工装的设计以及制造工艺的设计，阐述了实现汽车传感器封装的方法。
赵世斌[9]研究了超声波焊接在连接器中的应用。简要介绍了超声波焊接的原理，结合面的设计方法和要点，以及在连接器中的具体应用和使用范围。
西北工业大学聂钟鸣[10]研究了高阻CdZnTe半导体(简称CZT)接触电极与引线的超声波焊接。认为CZT晶片经机械抛光表面处理后，离子溅射制备的金电极与外引线的超声键合率较高，能获得最佳焊点质量的电极厚度为180nm。另外，CZT接触电极的制备工艺确定后，楔入压力成为影响CZT接触电极与引线超声焊接质量的主要因素，焊接功率是次要因素。
3摘要
目前对超声波金属焊接机理的认识不足。超声波金属焊接是固态焊接方式，还是金属对金属？焊接过程中是否存在金属熔化的结合还有待进一步研究。另外，超声波在材料焊接中的应用，虽然焊接效果好，但是对于由超声波发生器、声学系统和机械系统组成的整个系统来说，在稳定性、可操作性和可靠性方面仍然存在问题，所以声学系统的设计以及声学系统与试件的连接方式非常重要。此外，从微观力学角度研究超声振动对晶粒和织构的影响也是一个重要的方向。
参考资料:
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超声波焊接技术在工业产品设计中的应用
通过阐述超声波焊接技术的原理，探讨超声波的影响因素，分析超声波焊接技术的优缺点。本文结合作者的设计实践，探讨超声波焊接技术的发展，并基于超声波焊接技术探索未来的应用领域。
超声波；焊接技术；工业产品
超声波焊接技术在工业产品设计中的应用？探索
何军-华1-娟2-双3翁茂-洪1关军1龚云1
(1.浙江农业大学工程学院；f大学，林？安浙江，311300，中国；
2.浙江农业大学农业与食品科学学院；f大学，林？安浙江，311300，中国；
3.浙江农业大学风景园林与建筑学院；f大学，林？安浙江，311300，中国)
文章通过对超声波焊接原理和超声波探头影响因素的阐述，结合作者的工作实践，分析了超声波焊接技术的优缺点。结合设计实践，探讨超声波焊接技术的发展，并在此基础上探讨超声波焊接技术的应用前景。
关键词超声波；焊接技术；工业产品
在工业产品的生产中，经常使用一些工业材料，如塑料、金属、木材和其他工业材料。在日常生活中，我们经常会看到，一个产品并不是只有一种材料制成的；我们经常会看到一个产品是由多个零件组成的，零件之间会有缝隙，这样不仅会影响产品的质量，还会影响产品的美观。这需要将它们焊接在一起。随着科技的发展，人们对焊接技术的要求越来越高。目前，传统的焊接技术不仅成本高，而且焊接质量不高，经常出现微小裂纹。因此，人们希望采用新的焊接技术来提高产品质量。
1943年，美国Behl在总结前人理论和实践的基础上，发明了超声波焊接，促进了超声波焊接技术的发展。由于超声波焊接技术具有节能、无需装配消烟装置、无需焊接附件、成本低、效率高、密封性好、易于实现自动化生产等优点，超声波焊接技术发展越来越快。
1超声波焊接技术在工业产品中的应用现状
如航空航天、核能工业、电子工业等精度要求高的工业产品，采用传统的焊接技术难以满足技术要求，成本高、效率低。目前，超声波焊接技术广泛应用于各行各业，如医疗机械、包装、五金等行业；还有很多产品是可以焊接的，比如汽车配件，光学镜片，u盘等等。
超声波焊接技术的原理和特点
超声波是一种频率高于20000 Hz的声波，所以能量很大。超声波焊接是利用超声波频率(20000 Hz以上)的机械振动能量连接相同或不同的金属、半导体、塑料和金属陶瓷的一种特殊焊接方法[1]。当超声波作用于热塑性塑料表面时，会产生每秒上万次的高频振动。这种具有一定振幅的高频振动会通过上焊件将超声波能量传递到焊接区域，并且由于焊接区域即两条焊缝的界面处的声阻比较大，会产生局部高温。由于塑料制品导热性差，积聚的能量不能及时散发，所以能量会集中在焊接区域，使两块塑料的接触面迅速熔化，经过一定的压力后，就会融为一体。当超声波停止后，让压力持续几秒钟固化成型，从而形成固体分子链，从而达到焊接的目的。在金属的超声波焊接中，既不对工件施加电流，也不施加高温热源，而是在静压力的作用下，将弹性振动能量转化为摩擦功、变形能和工件界面的有限温升，使焊接区域的金属原子瞬间活化，两相界面的分子相互渗透，最终实现金属焊件的固态连接。焊接原理示意图如图1 [2]所示。
2.1超声波焊接技术的优势
与传统焊接技术相比，超声波焊接技术具有以下优点:(1)焊接速度快、焊接精度高、焊点强度高；(2)焊接范围广，稳定性好，焊接工件变形小；(3)焊件表面清洁、美观、平整、光滑；(4)焊接时不需要焊接剂，不污染被加工物，不产生有害气体，是一种环保的焊接方法；(5)焊接时，只需提供较少的功率即可进行焊接，能耗低；(6)操作简单，成本低，效率高，密封性能好。
图1超声波金属焊接原理示意图
2.2超声波焊接技术的缺点
超声波焊接技术虽然有很多优点，但也有缺点，不得不重视。超声波焊接技术存在以下缺点:(1)对超声波焊接机理的认识不够全面；(2)焊接金属时，焊件不宜过厚；(3)影响超声波焊接工艺的因素很多，很难分析和总结；(4)一些大功率超声波焊机制造成本高，难度大；(5)焊接件的质量难以检测，阻碍了批量生产。3影响超声波焊接质量的因素
超声波焊接技术虽然有很多优点，但其焊接质量与熔化量、材质等因素有关，主要包括以下因素，如图2所示。
图2影响超声波焊接质量的因素
(1)焊接材料的材质:一般来说，焊接质量与材料的物理性能和改性有关。材料的物理性质包括弹性模量、摩擦系数、导热系数、熔点等。物体的焊接质量与材料的弹性模量、摩擦系数、导热系数成正比，与其密度、熔点成反比。材料的改性是指在适宜的工艺条件下加入一些填料，以改善材料原有的性能，使之满足客户的要求。在合适的工艺条件下，加入一些性能相近的材料，可以提高焊接接头的强度。
(2)焊头与焊件的接触面:焊接面的清洁度和材料表面的粗糙度会影响焊件的焊接质量。增加材料的表面粗糙度可以提高焊接质量；焊接表面的清洁度越高，焊接质量就越高。
(3)其他因素:焊接工艺的工艺参数、被焊件的结构、连接形式、焊接时的熔化量、超声波的功率等。为了达到最佳的焊接效果，在产品开发阶段就要综合考虑这些因素。
4超声波焊接技术在工业产品设计中的应用案例
如前所述，基于超声波焊接技术的产品研发，首先要综合考虑影响焊接质量的因素，然后结合市场前景、产品成本、生产技术要求等条件，合理生产设计元素。
下面只是一个设计案例——美国苹果公司发明的超声波塑料与金属焊接专利技术，从实用的角度来了解超声波焊接技术在实践中的应用。原技术的缺点:在这项专利技术发明之前，所有的便携设备(比如手机)都无法融合金属和塑料，所以有些零件无法用塑料零件代替。这样生产出来的手机不仅笨重，外观呆板，而且在设计上缺乏个性、自由和灵活性。并且制作成本高，操作复杂，使用不方便，按键操作太多时接触会失效。解决方案:采用新型超声波塑料与金属焊接技术，手机内部部分零件采用塑料，减轻了手机重量，减少了金属用量。外壳采用一次成型工艺，使外壳更加简洁流畅，操作简单，设计灵活，给人高端大气的感觉。先进的超声波焊接技术一般采用多种材料融合技术，设计更加自由灵活。设计线条极简，色彩清淡，给人一种轻松愉悦的感觉。结构更符合超声波焊接的工作原理，焊接质量更好。
超声波焊接技术应用的总结与展望。
通过这次调查，作者通过自己对超声波焊接技术的了解，研究了超声波焊接技术的应用。由于条件所限，调查研究过程中还存在不足。在此，对调查中涉及的问题及解决方法进行总结，为进一步研究做铺垫。针对焊接质量问题，我们得出结论:在焊接过程中，接触面应保持清洁，材料表面应保持粗糙度。了解用户需求，针对特定用户进行设计，设计多种不同的外观形式，为不同客户量身定制；在设计中，也要考虑趣味性的问题，设计更多有趣的产品，营造轻松愉悦的环境。针对超声波焊接技术在产品设计中的前景，笔者发现可以在工作中加入音乐播放功能，让焊接过程轻松愉快。未来的超声波焊接技术也将更加人性化。
参考
关长石，费。超声波焊接原理与实践[J].机械设计与制造，2004(6)。
朱，吴，范景辉。超声波金属焊接的研究现状与展望[J].焊接技术，2010，39 (12)。