超聲波金屬焊接基礎知識

 一、超聲波金屬焊接基礎知識
1、原理
   超聲波金屬焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬表面，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，其優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態(tài)加工；缺點是所焊接金屬件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊點位不能太大、需要加壓。
2、焊接優(yōu)點：
1）、焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。
2）、焊接后導電性好，電阻系數(shù)極低或近乎零。
3）、對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。
4）、焊接時間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。
5）、焊接無火花，環(huán)保安全。
3、超聲波金屬焊接適用產(chǎn)品：
1）、鎳氫電池鎳氫電池鎳網(wǎng)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、連接器互熔。
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。
4、振幅參數(shù)
    振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數(shù)，相當于鉻鐵的溫度，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。因為每一間公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過適配不同變比的變幅桿及焊頭，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，前后面積比等因素有關，形狀來說如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對變比影響很大，前后面積比與總變比成正比。貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機，最簡單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定。
5、頻率參數(shù)
    任何公司的超聲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換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機械共振頻率調(diào)整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發(fā)生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，如一般設定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機基本都能正常工作.我們制作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰。
6、節(jié)點
    焊頭、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(tài)下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節(jié)點振幅為零，應力最大。節(jié)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于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定為零振幅，這樣就會引致一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進行屏蔽，能量損失在設計振幅參數(shù)時予以考慮。
7、網(wǎng)紋
    超聲波金屬焊接通常會在焊接位表面，底座表面設計網(wǎng)紋，網(wǎng)紋設計的目地在于防止金屬件的滑動，盡可能將能量傳遞到熔接位。網(wǎng)紋設計一般有方形、菱形、條形網(wǎng)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(wǎng)紋的大小與深淺根據(jù)具體的焊接材料要求來確定。 
8、加工精度
    超聲波焊頭因為工作于高頻振動情況下，應盡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（我們所用于焊接的焊頭利用的是超聲波振動的縱向傳遞，對于整個諧振系統(tǒng)而言），不均衡振動能導致焊頭發(fā)熱及斷裂。超聲波焊接應用于不同行業(yè)對加工精度要求是不同的，對于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采用數(shù)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。
9、使用壽命
    一只焊頭的使用壽命關鍵決定于兩個方面：一、材料，二、工藝
    材料方面：超聲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�。┖玫奶攸c，所以最常用的材料為鋁合金及鈦合金，但超聲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(yōu)質鋼村料能夠比較好地解決這個矛盾，使焊頭的有效壽命盡量地提高。
    工藝方面:包括有加工工藝及后續(xù)處理工藝，加工工藝在前面已詳細描述過，后續(xù)處理包括熱處理及參數(shù)的修整，基于我公司選擇的材料，我們有獨創(chuàng)的熱處理工藝去保證；在每一個焊頭制作完成后，單獨都要進行參數(shù)的測定及調(diào)整，以保證出品。
10、金屬相熔性

1、發(fā)熱 
    焊頭在工作時會有一定的發(fā)熱現(xiàn)象，這是由于材料本身的機械損耗及焊件發(fā)熱傳導所致。焊頭發(fā)熱是否正常判斷標準為不帶負載（即不接觸工件）時，連續(xù)發(fā)射超聲波半小時以上，溫度不能夠超過50-70℃，如發(fā)熱歷害，證明焊頭已損壞或材料不合格，需要更換。 
2．嘯叫 
當焊頭工作時出現(xiàn)嘯叫時，應分析以下原因：
① 安裝螺絲是否已松動
② 焊頭是否產(chǎn)生裂紋
③ 焊頭是否和不應接觸的物件相接觸。 
3．過載 
當發(fā)生器發(fā)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(shù)調(diào)節(jié)出現(xiàn)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，然后拆下焊頭再進行空載測試，排除是否是換能器＋變幅桿出現(xiàn)問題，一步步進行排除。排除掉換能器＋變幅桿出現(xiàn)故障的可能性后，將新的焊頭拆換以判斷。
③ 有時會出現(xiàn)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(nèi)部發(fā)生變化，導致聲能傳遞不暢，這里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，這時就要采用排除法去排除有問題的部件。發(fā)生器不正常時，也能產(chǎn)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(chǎn)生這種現(xiàn)象，這時可以用另外一整枝聲能元件替換以判別。

上圖互熔性謹供參考，具體應以實驗為準
二、故障分析