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金屬材料超聲波點焊機原理及應(yīng)用介紹
超聲波點焊是一種固態(tài)焊接技術(shù)，其熱影響區(qū)小，焊接強度高，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)的缺點是對工件的厚度及硬度比較敏感，當(dāng)厚度和硬度增加時，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，界面擴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。
能源危機和環(huán)境危機迫切要求工業(yè)生產(chǎn)以低能耗、環(huán)境友好的方式進行，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個以上的焊點，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。超聲波點焊由于其焊接能耗和成本低、時間短、熱影響區(qū)小、強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.超聲波點焊機原理及特點
超聲波點焊機是通過高頻機械振動(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，達到材料永久性連接的目的。目前，超聲波點焊機主要分為兩類:第一類是塑料用超聲波點焊機，主要用于塑料制品的焊接，其振動方向垂直于板材表面;第二類是金屬用超聲波點焊機，其振動方向平行于板材表面。
金屬用超聲波點焊機從結(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，振幅采用電路補償，無需專門設(shè)置振幅參數(shù)，換能器橫置，振動方向為橫向;二是單聲級焊機，上部為焊頭，下部是鐵砧，振幅可調(diào)，振動方向為縱向。
單聲級超聲波點焊機的工作原理如圖1a所示。
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械能，變幅桿對機械能的振動幅度進行放大，在靜壓力作用下，放大后的機械能經(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，促使界面原子擴散，從而使工件達到固相連接狀態(tài)。其中需要注意的是雙聲極焊機的下端不是鐵砧，而是下聲極焊頭，其作用原理與單聲級焊機一致，但控制機制存在差異。塑料用超聲波點焊機的焊接原理與金屬超聲波點焊機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，其振動方向與板材表面垂直(如圖1b所示)。
超聲波焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展得益于其獨特的焊接優(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)自動化控制程度高。
2.超聲波點焊機工業(yè)應(yīng)用
超聲波點焊在工業(yè)上最早被用于塑料制品的焊接。隨著金屬用超聲波點焊機的出現(xiàn)，工業(yè)界在利用其焊接電纜線時，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，焊接件也不需要進行預(yù)處理，使得超聲波點焊在電器元件領(lǐng)域取代了電阻點焊的地位，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。
超聲波點焊技術(shù)是快速、環(huán)保、安全的焊接方式，同時也是目前最先進的連接工藝之一，因其獨特的優(yōu)勢而被研究者廣泛關(guān)注。
