超聲波金屬焊接的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)探討

韓建輝

摘 要：超聲波金屬焊接是一種新興的特種加工技術(shù)，它在很多方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，并且在各領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用。這種先進(jìn)的焊接技術(shù)不僅是科技進(jìn)步的重要體現(xiàn)，同時(shí)也為人類社會(huì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。鑒于此，文章分析了超聲波金屬焊接的優(yōu)缺點(diǎn)以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望，以期使超聲波金屬焊接技術(shù)在我國得到更全面的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：超聲波；金屬焊接；現(xiàn)狀；展望

超聲波金屬焊接起源于1950年的美國，當(dāng)時(shí)正處于美國工業(yè)社會(huì)發(fā)展時(shí)期，工業(yè)的快速發(fā)展要求技術(shù)上進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，以滿足人們?nèi)找媾蛎浀奈镔|(zhì)需要，超聲波金屬焊接便由此誕生，并很快得到了廣泛的應(yīng)用。如今，超聲波金屬焊接的應(yīng)用領(lǐng)域囊括了電子工業(yè)、制造業(yè)、食品工業(yè)以及核能工業(yè)等，其不但在技術(shù)方面領(lǐng)先于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，而且具有節(jié)能環(huán)保以及操作方便等特點(diǎn)，能夠促進(jìn)我國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。可以說，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮了巨大的促進(jìn)作用。

1 超聲波金屬焊接優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 優(yōu)點(diǎn)

超聲波金屬焊接是一項(xiàng)全新的技術(shù)，對(duì)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(gè)方面。

1.1.1 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(diǎn)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(shí)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(shí)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(dá)到的。

1.1.2 速度快、穩(wěn)定性高

超聲波金屬焊接可以通過使用點(diǎn)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(dá)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(diǎn)強(qiáng)度非常高，導(dǎo)致其具有很好的穩(wěn)定性。

1.1.3 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(diǎn)：首先，無需采用水冷和氣體的保護(hù)，省去了對(duì)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(duì)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(dá)到高密度的焊接。

1.2 缺點(diǎn)

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(diǎn)表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

1.2.1 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(shí)現(xiàn)多種協(xié)作系統(tǒng)的相互配合，形成一個(gè)緊密結(jié)合的整體系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、聲學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。若整個(gè)系統(tǒng)的配合度和協(xié)調(diào)度不一致，就會(huì)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。

1.2.2 焊機(jī)制造困難且對(duì)其機(jī)理認(rèn)識(shí)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(duì)于實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的焊機(jī)的制造要求較高。相對(duì)于傳統(tǒng)焊機(jī)而言，超聲波金屬焊機(jī)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(duì)焊機(jī)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和總結(jié)。

1.2.3 “開敞性”較差且易出高頻振動(dòng)。超聲波金屬焊機(jī)的“開敞性”比較差，其伸入尺寸被嚴(yán)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(jìn)一步的突破。同時(shí)，超聲波金屬焊機(jī)在焊接過程中的焊點(diǎn)容易出現(xiàn)高頻振動(dòng)，可能致使成品工件的邊緣受損，尤其是硬而脆的材料。

1.2.4 檢測(cè)困難。對(duì)于目前超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展情況來說，對(duì)焊接成品質(zhì)量的檢測(cè)還是很難做到的，與其相配套的檢測(cè)設(shè)備還沒有普及，而適用于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的檢測(cè)方法又無法適用于新技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)跟不上就為大批量的生產(chǎn)制造了一定的困難。

2 超聲波金屬焊接國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲波金屬焊接技術(shù)在國外的發(fā)展與國內(nèi)相比較快且更為全面，國外的研究重點(diǎn)在試驗(yàn)與模擬研究兩個(gè)方面，而國內(nèi)的研究多集中在超聲波點(diǎn)焊的試驗(yàn)研究方面。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

首先，在滾焊焊接工藝參數(shù)范圍方面，英國拉夫堡大學(xué)Kong 等人做出了突出貢獻(xiàn)，得出可以有效提高焊接線性密度的方法，并且通過大量試驗(yàn)得出埋入合金纖維和光學(xué)纖維的最佳處理參數(shù)。其次，在測(cè)量超聲波焊接過程的溫度方面，美國俄亥俄州立大學(xué)的De Vries通過鋁合金薄片材料的試驗(yàn)得出，焊接工藝參數(shù)條件與金屬熔點(diǎn)有關(guān)，而Gunduz等人研究了鋁與鋅在高溫條件下的焊接情況，發(fā)現(xiàn)材料空穴聚集與材料擴(kuò)散率正相關(guān)。最后，在超聲波金屬線焊接的結(jié)合強(qiáng)度的影響因素方面，國外科學(xué)家也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了超聲波固接技術(shù)是制造多種材料結(jié)構(gòu)的有效方法。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

首先，在超聲波焊接機(jī)理方面，華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的楊圣文和湯勇做出了重要貢獻(xiàn)，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(jī)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(duì)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(jī)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)Yong Ding等人得出焊接區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布，并詳細(xì)分析了實(shí)際焊接情況和摩擦能量與焊點(diǎn)強(qiáng)度之間的關(guān)系。以上學(xué)者的研究雖然對(duì)超聲波金屬焊接技術(shù)在我國的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，但是研究中也存在著些許不足之處，這就需要今后的研究者去不斷地彌補(bǔ)和改善。

3 超聲波金屬焊接發(fā)展趨勢(shì)分析

超聲波金屬焊接技術(shù)在我國發(fā)展較為緩慢并且起步較晚，尚沒有大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)工作當(dāng)中，而且有關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)其研究多局限在簡單的修補(bǔ)工作上，并沒有對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的深入發(fā)展提供切實(shí)可行的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。因此，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國還有很大的發(fā)展空間。目前，已經(jīng)有越來越多的學(xué)者和研究人員致力于這種技術(shù)的探討，具體需要加強(qiáng)的工作有以下幾個(gè)方面。

第一，大功率換能器技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將直接推動(dòng)超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)槌暡ń饘俸附蛹夹g(shù)對(duì)功率的需求很大，所以設(shè)計(jì)和制造大功率轉(zhuǎn)換器是首先要完成的技術(shù)突破。第二，焊頭材料。如果焊頭材料不能滿足超聲波金屬焊機(jī)的工作水平，將會(huì)影響成品的質(zhì)量，所以開發(fā)出強(qiáng)韌性、高質(zhì)量、高壽命的焊頭材料已經(jīng)是迫在眉睫。第三，超聲波電源技術(shù)。超聲波金屬焊接技術(shù)對(duì)超聲波電源具有很高的要求，提升電源技術(shù)，就可以在一定程度上確保焊接成品的質(zhì)量。第四，超聲波焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用。在國內(nèi)，被大家普遍認(rèn)可的是傳統(tǒng)焊接技術(shù)，對(duì)于超聲波金屬焊接技術(shù)的認(rèn)識(shí)還比較少，但隨著我國在超聲波金屬焊接技術(shù)上的不斷突破，其必將應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國的發(fā)展還不太全面，但它擁有著良好的應(yīng)用前景，無論是在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域還是技術(shù)研究領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)都會(huì)獲得不斷的突破。今后，超聲波金屬焊接技術(shù)將在我國得到更好的發(fā)展，并為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

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