超聲波焊接技術(shù)TheponywasrevisedinJanuary2021哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬工藝學(xué)課程論文題目 超聲波金屬焊接技術(shù)的綜合介紹院系： 能源科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)： 能源與動力工程班級： 1502403學(xué)號： 25姓名： 石嘉成超聲波金屬焊接技術(shù)的綜合介紹石嘉成1（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：本文主要介紹特種焊接中的超聲波金屬焊接技術(shù)，將從超聲波焊金屬接技術(shù)的應(yīng)用背景、工藝過程、特點及實際應(yīng)用情況及最新發(fā)展等發(fā)面展開介紹。通過文獻的查閱得到了以下的結(jié)論：超聲波焊接的應(yīng)用越來越廣泛，它具有能耗低、壓力小、速度快、穩(wěn)定性高、程序簡便、精度高等優(yōu)點，雖然對儀器的要求較高導(dǎo)致成本較高，但是仍不失為一種很有前景的焊接技術(shù)。關(guān)鍵詞：超聲波焊接；金屬；工藝過程；文獻查閱超聲波金屬焊接技術(shù)應(yīng)用背景超聲波金屬焊接起源于1950年的美國1。超聲波金屬焊接在電子工業(yè)、電器制造、新材料的制備、航空航天及核能工業(yè)、食品包裝盒、高級零件的密封技術(shù)方面都有很廣泛的應(yīng)用，加上其節(jié)能、環(huán)保、操作方便等突出優(yōu)點，對于我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的現(xiàn)代化社會，超聲波金屬焊接將發(fā)揮很大的促進作用2。超聲波焊接技術(shù)的原理及工藝過程超聲波金屬焊接技術(shù)的原理超聲波金屬焊接主要過程是被夾持在一起的兩塊工件受到硬砧和焊接端頭之間的靜壓力，將超聲波能量傳輸給工件頂部，維持短暫的時間，待結(jié)合表面之間的摩擦破碎氧化膜和其它沾污，每個表面上暴露出清潔新生的金屬，從而使兩個表面相互結(jié)合。一旦兩表面處于一個原于間距內(nèi)，就會產(chǎn)生金屬型結(jié)合，由于超聲波清理作用是連續(xù)的，就沒有時間來形成阻礙原于接近的新氧化膜。完成最終的冶金結(jié)合時，無電弧和飛濺，無焊縫金屬的熔化，鑄造組織無熔化，厚度變形也很小3。超聲波金屬焊接技術(shù)的工藝過程如圖1所示，超聲波焊接過程分為4個階段：第1階段：焊頭與零件接觸，施壓并開始振動。摩擦發(fā)熱量熔化導(dǎo)能筋，熔液流入結(jié)合面。隨著兩零件之間距離的減少，焊接位移量（兩零件之間由于熔體流動產(chǎn)生的距離減小值）開始增加。起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的導(dǎo)能筋鋪展并接觸下零件表面時放慢增速。在固態(tài)摩擦階段，發(fā)熱是由于兩表面之間的摩擦能和零件中的內(nèi)摩擦產(chǎn)生的。摩擦發(fā)熱使聚合物材料升溫至其熔點。發(fā)熱量取決于作用頻率、振幅和壓力4。第2階段：熔化速度增加導(dǎo)致焊接位移量增大及兩零件表面相接觸。此階段形成薄的熔化層，由于持續(xù)發(fā)熱，熔化層厚度增加。此階段的熱量是由黏性耗散產(chǎn)生。第3階段：焊縫中溶液層厚度保持不變且伴隨著恒溫分布，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熔化。

第4階段：在經(jīng)過設(shè)定的時間或達到特定的能量、功率級或距離之后，電源切斷，超聲振動停止，開始進入第4階段。壓力得以保持，使部分額外熔液擠出結(jié)合面。在焊縫冷卻和凝固時達到最大位移量，并發(fā)生分子間擴散5。莞斗嚴氏上飛零祥astta莞斗嚴氏上飛零祥astta超聲波焊接過程4階戰(zhàn)超聲波金屬焊接技術(shù)的特點優(yōu)點超聲波金屬焊接是一項全新的技術(shù)，對其研究和應(yīng)用還處于發(fā)展階段，但毋庸置疑的是，它在很多方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。壓力小、能耗低超聲波金屬焊接不同于傳統(tǒng)焊接的最大優(yōu)點是其壓力小且能耗低，這在很大程度上節(jié)約了能量成本，并且其還能將不同種類的金屬材料焊接在一起，突破了原本受技術(shù)限制而不能實現(xiàn)異種金屬焊接的瓶頸。另外，在金屬零件快速成形的過程中，其可以埋入一些功能器件來實現(xiàn)智能金屬基復(fù)合材料，這是傳統(tǒng)焊接技術(shù)所不能達到的6。速度快、穩(wěn)定性高超聲波金屬焊接可以通過使用點焊和連續(xù)焊，來保證焊接速度的提升，它不但能將不同物理性能的材料焊接完好，還能應(yīng)用于其他技術(shù)不能達到的厚薄相差懸殊以及多層金屬片之間的焊接。由于其焊點強度非常高，導(dǎo)致其具有很好的穩(wěn)定性。程序簡便、精度高超聲波金屬焊接技術(shù)在焊接過程中只需簡潔的程序就能保障焊接成品的質(zhì)量，其程序的簡便之處體現(xiàn)在以下幾點：首先，無需采用水冷和氣體的保護，省去了對焊接成品的退熱處理過程；其次，不用焊條，焊接的金屬不被直接加熱，減少能源損耗，避免加熱的麻煩；最后，不需要添加焊劑，省去后期對成品的清潔處理以及環(huán)保處理超聲波金屬焊接還使用了一種功率電子線路，能夠通過電氣控制達到高密度的焊接。缺點超聲波金屬焊接在其發(fā)展過程中也產(chǎn)生了一些弊端，值得重視并去研究改善。這些缺點表現(xiàn)為以下幾個方面。結(jié)合系統(tǒng)存在問題超聲波金屬焊接技術(shù)在焊接過程中，要實現(xiàn)多種協(xié)作系統(tǒng)的相互配合，形成一個緊密結(jié)合的整體系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、聲學(xué)系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。若整個系統(tǒng)的配合度和協(xié)調(diào)度不一致，就會導(dǎo)致系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可操作性以及可靠性方面存在一定的問題。焊機制造困難且對其機理認識不足。由于超聲波金屬焊接技術(shù)能夠焊接密度大、厚度高的金屬以及異種金屬，所以對于實現(xiàn)這種技術(shù)的焊機的制造要求較高。相對于傳統(tǒng)焊機而言，超聲波金屬焊機的制造過程更加困難且成本較高，并且由于影響焊接工藝參數(shù)的因素較多，不易于對焊機機理的認識和總結(jié)。開敞性”較差且易出高頻振動超聲波金屬焊機的“開敞性”比較差，其伸入尺寸被嚴格限定在焊接所允許的范圍內(nèi)，并且其接頭形式仍然只限于搭接接頭，還沒有在技術(shù)上取得進一步的突破。同時，超聲波金屬焊機在焊接過程中的焊點容易出現(xiàn)高頻振動，可能致使成品工件的邊緣受損，尤其是硬而脆的材料。檢測困難對于目前超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展情況來說，對焊接成品質(zhì)量的檢測還是很難做到的，與其相配套的檢測設(shè)備還沒有普及，而適用于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的檢測方法又無法適用于新技術(shù)。檢測技術(shù)跟不上就為大批量的生產(chǎn)制造了一定的困難。超聲波金屬焊接的實際應(yīng)用情況目前超聲波金屬焊接主要有四個方面的應(yīng)用：點焊、滾焊、線束和封管，廣泛應(yīng)用于：汽車、制冷、太陽能、電池、電子等各個領(lǐng)域。目前超聲波金屬焊接的具體應(yīng)用主要有：①動力電池多層正、負極焊接；鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片焊接；②鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片焊接；鋁箔與鋁片焊接；鋁片與鎳片焊接；③汽車線束；電線成型；電線互焊；多條電線互焊成線結(jié)；銅、鋁線轉(zhuǎn)換電線、電纜與各種電子元件、接點、連接器、端子焊接；④太陽能電池、平板太陽能吸熱板、鋁塑復(fù)合管滾焊，銅、鋁板拼接；⑤電磁開關(guān)、無熔絲開關(guān)等大電流接點、觸點、異種金屬片的焊接；⑥冰箱、空調(diào)等行業(yè)銅管封尾；真空器件銅、鋁管焊接等9。4.超聲波金屬焊接技術(shù)的最新發(fā)展超聲波焊接技術(shù)有很多發(fā)展，下面對幾項最新發(fā)展進行簡單介紹。超聲波焊接機理研究發(fā)展華南理工大學(xué)機械工程學(xué)院的楊圣文和湯勇做出了重要貢獻，他們通過SEM圖來觀察銅片與銅管的超聲波焊接，并得出結(jié)論：超聲波金屬焊接過程是一種包括金屬鍵合和機械嵌合等作用的物理冶金過程。超聲波焊接性能研究發(fā)展過程是一種包括金屬鍵合和機械嵌合等作用的物理冶金過程。其次，在超聲波焊接性能的影響因素方面，江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張春來和王粒粒通過研究表面狀態(tài)、焊接材料厚度對超聲波焊接性能的影響，得出以下結(jié)論：表面狀態(tài)的影響較小，焊接材料厚度與焊接區(qū)域溫度升高成反比；華南理工大學(xué)機械工程學(xué)院的張銥洪和馬傳藝通過研究推導(dǎo)出了焊接區(qū)域的理論溫度。最后，在焊接性能的模擬分析方面，香港科技大學(xué)YongDing等人得出焊接區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布，并詳細分析了實際焊接情況和摩擦能量與焊點強度之間的關(guān)系10。金屬中邁入FBG傳感器金屬中埋入FBG傳感器，以制造智能金屬復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)；可通過模擬埋入過程來進一步分析其焊接機制；③以前的模擬均是從宏觀角度通過熱－機耦合研究超聲波金屬焊接溫度場和應(yīng)力分布，今后從細觀力學(xué)的角度研究超聲波振動對晶粒和織構(gòu)的影響也是未來研究的一個重要方向11。最佳的超聲波金屬滾焊焊接工藝參數(shù)范圍英國拉夫堡大學(xué)Kong等人通過大量試驗分別得出了0.1mm厚3003與6061這2種鋁合金薄片各自最佳的滾焊焊接工藝參數(shù)范圍，并結(jié)合線性焊接密度（真實焊接連接區(qū)域占整個焊接面積的比例）與焊接試樣剝離強度以及微觀組織分析來評價試樣的焊接質(zhì)量。結(jié)束語以上綜述過程中，對超聲波金屬焊接從應(yīng)用背景、工藝過程、特點及實際應(yīng)用情況及最新發(fā)展等發(fā)面展開介紹，在查閱文獻整理文獻的過程中自己對這種焊接方式也有了較好的了解。1徐俊輝，劉博，宋勇.超聲波金屬焊接的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢探討［J］.引文版:工程技術(shù),2015(43):282-282.閆久春，楊春利，劉會杰，等.超聲復(fù)合焊接研究現(xiàn)狀及科學(xué)問題J］.機械工程學(xué)報,2015，51(24):41-49.李佳音.超聲波擴散焊接工藝研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2007.王宋.超聲波金屬焊接機理及實驗裝置研究［D］.河南理工大學(xué)，2009.張勝玉.塑料超聲波焊接技術(shù)(下)［〕］?橡塑技術(shù)與裝備，2015,25(10):7-15.居炎鵬.超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望J］.居炎鵬.超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望J］.商品與質(zhì)量，2016(4).涂益民，邱然鋒，石紅信，等.輕金屬材料超聲波焊接的研究現(xiàn)狀［J］.輕合金加工技術(shù),2011，39(1):16-20.8徐俊輝，劉博，宋勇.超聲波金屬焊接的現(xiàn)