超聲波焊接的研究與展望

陳懷防 等

摘要：超聲波焊接的節能、環保、操作方便等突出優點，越來越受到人們的重視。超聲波焊接已廣泛應用在眾多領域。本文簡單介紹了超聲波焊接的基本原理。概述了超聲波焊接的國內發展現狀，并對超聲波焊接的發展做了展望。

關鍵詞：超聲波 焊接 研究現狀

0 引言

1950年美國人發明了超聲波焊接技術，該技術作為特種連接技術，在工業生產中得到廣泛應用。另外，超聲波焊接技術還廣泛應用于電子工業、電器制造、新材料的裝備、航空航天及核能工業、食品包裝盒、高級零件的密封技術等方面。超聲波焊接的優點主要表現為：節能、環保、操作方便，這種技術對我國建設資源節約型、環境友好型的社會起著很大的促進作用。

1 超聲波焊接原理及特點[1]

超聲波焊接作為一種特殊焊接方法，通常情況下是指利用超聲波頻率（大于16KHZ）的機械振動能量，將同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等進行連接。通過超聲波對金屬進行焊接時，一方面不需要向工件輸送電流，另一方面沒有將高溫熱源引入工件，在焊接過程中，在靜壓力的作用下，將彈性震動能量轉變為工件間的摩擦功、形變能，以及有限的溫升等。在母材不發生熔化的情況下，實現接頭間的冶金結合，因此，超聲波焊接屬于固態焊接。

工頻電流在超聲波發生器的作用下，進一步轉變為超聲波頻率（15～16KHZ）d的振蕩電流。通過磁致收縮效應，換能器將電磁能轉換成彈性機械振動能。放大器的作用是對振幅進行放大，同時借助耦合桿和上聲極與并工件進行耦合。如果換能器、放大器、耦合桿和上聲極的自振頻率相互一致，在這種情況下，系統將會產生諧振，從而將彈性振動能傳遞給靜壓力F的工件。兩種薄材工件通過此種能量之間的轉換被粘接在一起。

2 國內研究現狀

2.1 超聲波金屬焊接的研究現狀

崔巖[2]研究超聲波焊在坦克鋁件焊修中的應用，對鋁及鋁合金的焊接性進行了詳盡的分析，認為保證焊點質量穩定的重要因素是諧振頻率的精度。在超聲波焊接過程中，由于機械負荷是多變的，失諧現象會隨機出現，進而使得焊點質量不穩定。根據超聲波焊的特點，制訂相應的焊接規范。大量實驗證明：通過超聲波對鋁及鋁合金進行焊接，金屬表面致密的氧化膜可以有效地去除，進而保證了焊接質量。

華南理工大學楊圣文等人[3]推導了銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接接頭區域理論區域溫度公式，并利用人工熱電偶法測得焊接區域溫度，分析了實測溫度偏差產生的原因，結合焊接接頭的掃描電鏡（SEW）圖片進行對比分析，研究了銅片-銅管超聲波焊接接頭的形成機理。結果表明：超聲波焊接是基于接頭區域微齒頂端處高溫、純凈金屬發生塑性變形后表面充分貼合兩個因素基礎上的金屬鍵合和機械嵌合而形成接頭的物理冶金過程。

南京航空航天大學機電學院的張秋峰[4]研究了1Cr18Ni9Ti與TC4異種金屬的固態擴散焊接工藝，在現有的基礎上采用超聲波加載固態擴散焊的工藝。金相試驗分析結果表明：采用超聲波加載擴散焊接工藝，使不銹鋼和鈦形成了良好的連接。

哈爾濱工業大學的閆久春、孫小磊[5]等，在敞開環境下研究了一種適合復雜結構，并且能夠進行可靠連接的“超聲波振動輔助釬焊技術”原理，同時對鋁基復合材料、鋁合金、陶瓷/鋁、玻璃/鋁焊接的初步試驗結果進行了描述。焊接結果表明：在釬焊過程中，通過施加適當的超聲波振動，母材表面氧化膜可以有效地去除，進一步促進了母材與釬料的潤濕。在低溫、大氣環境下，獲得了具備微觀組織結構和力學性能良好的連接接頭。

南昌大學的朱政強等人[6]用電子背散射衍射（EBSD）方法來研究超聲波焊接下鋁合金AA6061的微觀組織變化，從微觀角度里加深對超聲波金屬焊接的理解。通過實驗，得到原始鋁箔和焊接后鋁箔的品粒取向差分布圖。通過分析品粒取向、晶粒結構和晶界特征了解超聲波焊接對鋁合金組織和結構的影響。

2.2 超聲波非金屬焊接的研究現狀

郭毓峰[7]對12μm聚對笨二甲酸乙二醇酯（PET）/30μm聚乙烯（PE）薄膜超聲波焊接工藝進行了研究，發現焊接振幅在2-10μm，對焊接接頭熱合強度的影響不大；在焊接振幅4-7μm出現了焊接接頭的熱合強度最大值。焊接接頭的熱合強度隨著焊接時間的延長和焊接壓力的增大表現出先增大后減小的變化規律。通過對不同工藝參數下焊接區域的結晶程度進行分析，其結果顯示，接頭的結晶程度影響著PET/PE薄膜焊接接頭熱合強度，焊接區域試樣的結晶程度隨著焊接時間、焊接振幅、焊接壓力增加先減小后增大，焊接接頭的熱合強度先升高后降低。

趙鋼[8]等人研究超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應用。講述了通過對材料、焊接方法的選擇和焊口及工裝設計與制造過程設計，來實現汽車傳感器封裝的方法。

趙仕彬[9]研究了超聲波焊接在連接器中的應用。簡明扼要地介紹了超聲波焊接的原理，結合面的設計方法、設計要點，以及在連接器中的具體應用和使用范圍。

西北工業大學的聶中明[10]研究了高電阻CdZnTe半導體（簡稱CZT）接觸電極與引線的超聲波焊接。認為：CZT晶片經機械拋光表面處理后，通過離子濺射法制備的金電極與外引線間具有較高的超聲波焊合率，能獲得最佳焊點質量的電極厚度為180nm。此外，確定CZT接觸電極制備工藝后，楔入壓力成為影響CZT接觸電極與引線超聲波焊接質量的主要因素，焊接功率則為次要因素。

3 總結

目前，對超聲波金屬的焊接機理認識不足，超聲金屬焊接作為一種固相焊接方法，或者說是金屬間的“鍵合”過程，在焊接過程中，是否無金屬熔化還有待進一步研究。還有在材料焊接中應用超聲波，雖然焊接效果比較好，但是對于由超聲波發生器、聲學系統與機械系統相結合的整個系統來說，在穩定性、可操作性、可靠性等方面依然存在問題，所以聲學系統的設計，以及聲學系統與試件之間的連接方式等都非常重要。另外，從微觀力學的角度研究超聲波振動對晶粒和織構的影響也是未來研究的重要方向。

參考文獻：

[1]李小明，李彥生，韓景蕓.基于超聲波焊接技術的快速成型方法研究[J].機床與液壓，2007，35（3）：4-6.

[2]崔巖.超聲波焊在坦克鋁件維修中的應用[J].工業技術經濟，2000，19（3）：114-116.

[3]楊圣文，吳澤群，陳平池.銅片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接試驗研究[J].焊接，2005（9）：32-35.

[4]張秋峰.鈦與不銹鋼的超聲波擴散焊接[J].機械工程與自動化，2008（1）：125-127.

[5]閆久春，孫小磊.超聲波振動輔助釬焊技術[J].焊接，2009（3）：6-12.

[6]朱政強，馬國紅，E.Ghassemieh.鋁合金AA6061超聲波焊接下組織演變分析[A].第七屆中國機器人焊接學術與技術交流會議文集[C]，2008：107-110.

[7]郭毓峰.聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超聲波焊接[J].宇航材料工藝，2010（4）：53-55.

[8]趙鋼，曹智，董雙輝.超聲波焊接在汽車傳感器封裝中的應用[J].沈陽航空工業學院學報，2007（4）：25-28.

[9]趙仕彬.超聲波焊接在連接器中的應用[J].機電元件，2006（4）：36-39.

[10]聶中明，傅莉，任潔，查鋼強.CdZnTe接觸電極與引線的超聲波焊接[J].中國有色金屬學報，2009，19（5）：919-923.