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金屬材料超聲波點(diǎn)焊機(jī)原理及應(yīng)用介紹

2021-11-10 18:39
超聲波點(diǎn)焊是一種固態(tài)焊接技術(shù)，其熱影響區(qū)小，焊接強(qiáng)度高，能耗低、接頭導(dǎo)電性好，為科技界和產(chǎn)業(yè)界所關(guān)注。該技術(shù)的缺點(diǎn)是對工件的厚度及硬度比較敏感，當(dāng)厚度和硬度增加時(shí)，焊接系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定，需要更大的金屬表面抓緊力和焊接功率;在焊接異種金屬時(shí)，界面擴(kuò)散形成的金屬間化合物造成焊接界面力學(xué)性能失控，影響產(chǎn)品的使用性能。
 
能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)迫切要求工業(yè)生產(chǎn)以低能耗、環(huán)境友好的方式進(jìn)行，尤其是發(fā)展中國家。工業(yè)制造不可避免地將會涉及到材料的連接問題，僅就汽車產(chǎn)業(yè)為例，我國擁有120家大型汽車廠和上千萬的汽車年生產(chǎn)量，一輛汽車上有5000個(gè)以上的焊點(diǎn)，因此研究和發(fā)展成本低、性能高、能耗少、無污染的焊接方式十分必要。超聲波點(diǎn)焊由于其焊接能耗和成本低、時(shí)間短、熱影響區(qū)小、強(qiáng)度高且接頭電阻系數(shù)接近于零，可用于金屬加工、材料成型、箱盒包裝、電器醫(yī)療和精密儀器連接等，在電子、汽車、航空航天產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力，因而廣受關(guān)注。
 

1.超聲波點(diǎn)焊機(jī)原理及特點(diǎn)


超聲波點(diǎn)焊機(jī)是通過高頻機(jī)械振動(dòng)(20～50kHz)和恒定靜壓力使焊接工件的接觸面受到剪切力，并在界面產(chǎn)生高應(yīng)變塑性變形和較高溫度，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能和塑性耗散能，使焊接界面相互結(jié)合，達(dá)到材料永久性連接的目的。目前，超聲波點(diǎn)焊機(jī)主要分為兩類:第一類是塑料用超聲波點(diǎn)焊機(jī)，主要用于塑料制品的焊接，其振動(dòng)方向垂直于板材表面;第二類是金屬用超聲波點(diǎn)焊機(jī)，其振動(dòng)方向平行于板材表面。

金屬用超聲波點(diǎn)焊機(jī)從結(jié)構(gòu)上分為兩類:一是雙聲級焊接設(shè)備，采用耦合式振動(dòng)，振幅采用電路補(bǔ)償，無需專門設(shè)置振幅參數(shù)，換能器橫置，振動(dòng)方向?yàn)闄M向;二是單聲級焊機(jī)，上部為焊頭，下部是鐵砧，振幅可調(diào)，振動(dòng)方向?yàn)榭v向。

單聲級超聲波點(diǎn)焊機(jī)的工作原理如圖1a所示。
金屬超聲波點(diǎn)焊機(jī)工作原理

設(shè)備利用發(fā)生器將50Hz電流轉(zhuǎn)換為16～80kHz諧振電流，換能器將該電流轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詸C(jī)械能，變幅桿對機(jī)械能的振動(dòng)幅度進(jìn)行放大，在靜壓力作用下，放大后的機(jī)械能經(jīng)上聲極傳遞給工件，工件在上聲極和鐵砧作用下產(chǎn)生相對摩擦，摩擦即造成材料焊接界面微區(qū)變形，產(chǎn)生變形熱，促使界面原子擴(kuò)散，從而使工件達(dá)到固相連接狀態(tài)。其中需要注意的是雙聲極焊機(jī)的下端不是鐵砧，而是下聲極焊頭，其作用原理與單聲級焊機(jī)一致，但控制機(jī)制存在差異。塑料用超聲波點(diǎn)焊機(jī)的焊接原理與金屬超聲波點(diǎn)焊機(jī)的焊接原理基本相同，區(qū)別在于換能器和變幅桿豎直安裝，其振動(dòng)方向與板材表面垂直(如圖1b所示)。
塑料超聲波點(diǎn)焊機(jī)工作原理

超聲波焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展得益于其獨(dú)特的焊接優(yōu)勢。

(1) 操作方便，能在傳統(tǒng)電弧焊不方便作業(yè)的位置發(fā)揮作用;
(2)對環(huán)境的要求低，占地面積小，無需專業(yè)粘結(jié)劑，焊接無火花與飛濺，對于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會意義重大;
(3)屬于固態(tài)焊接，無熱熔焊接的熔融過程和疏松缺陷，焊接強(qiáng)度較高，用于異種金屬焊接具有明顯優(yōu)勢;
(4)成本低，對焊接表面無特殊要求，無需進(jìn)行焊接前的清理工作，能焊接氧化或電鍍的金屬表面;
(5)焊接件的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，接頭電阻系數(shù)極低甚至接近零;
(6)自動(dòng)化控制程度高。
 

2.超聲波點(diǎn)焊機(jī)工業(yè)應(yīng)用


超聲波點(diǎn)焊在工業(yè)上最早被用于塑料制品的焊接。隨著金屬用超聲波點(diǎn)焊機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)界在利用其焊接電纜線時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電阻系數(shù)基本無改變，金屬不產(chǎn)生高溫和熔化現(xiàn)象，焊接件也不需要進(jìn)行預(yù)處理，使得超聲波點(diǎn)焊在電器元件領(lǐng)域取代了電阻點(diǎn)焊的地位，主要用于絲、線、箔等的焊接。近10年來，隨著大或者超大功率焊機(jī)的出現(xiàn)，其應(yīng)用拓展到了新能源汽車的電池包和航天電池、傳統(tǒng)金屬加工、材料成型、箱盒包裝等。
 
超聲波點(diǎn)焊技術(shù)是快速、環(huán)保、安全的焊接方式，同時(shí)也是目前最先進(jìn)的連接工藝之一，因其獨(dú)特的優(yōu)勢而被研究者廣泛關(guān)注。