压焊方法及设备-第十一章-超声波焊-PPT精选课件.ppt

1、第11章超 声 波 焊11.1超声波焊基本原理及接头形成11.1.1焊接原理11.1.2接头形成机理11.2超声波焊接工艺11.2.1工艺特点11.2.2超声波焊接头设计11.2.3超声波焊参数选择11.3常用材料的超声波焊11.3.1塑料焊接11.3.2金属材料的焊接11.4超声波焊设备11.4.1超声波焊机的型号及典型结构11.4.2超声波焊接设备构成及功能11.1.1焊接原理图11-1超声波焊原理1超声波发生器2换能器3传振杆4聚能器5耦合杆6静载7上声极8焊件9下声极静压力纵向振动方向弯曲振动方向11.1.2接头形成机理1.接头形成过程2.接头组织特征1.接头形成过程(1)振动摩擦阶段

2、超声波焊的第一个过程主要是摩擦过程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为几十微米。(2)温度升高阶段在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升高(焊区的温度约为金属熔点的%)，变形抗力下降，在静压力和弹性机械振动引起的交变切应力的共同作用下，焊件间接触表面的塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。(3)固相接合阶段图11-2超声波焊点区的涡流状塑性流动层2.接头组织特征(1)机械嵌合超声波焊接接头中常见到两焊件接触处形成塑性流动层，并呈现犬牙交错

3、的机械嵌合，这种接合对连接强度起到有利的作用，但并不是金属的连接，在金属与非金属之间的超声波焊接时，这种机械嵌合作用占主导地位。(2)金属原子间的键合在超声波焊接接头中，焊接界面之间存在大量被歪扭的晶粒，这些晶粒是跨越界面的“公共晶粒”，其尺寸与母材金属的晶粒无明显差别，接头不存在明显的界面，两材料之间通过金属原子的键合而连在一起。(3)金属间的物理冶金超声波焊接中还存在着由于摩擦生热所引起的再结晶、扩散、相变以及金属间化合物形成等冶金过程。(4)界面微区的熔化现象超声波焊接时，微区焊接温度很难精确测量，不能排除微区中出现局部熔化现象。11.2.1工艺特点1.超声波焊接特点2.超声波焊接分类1

4、.超声波焊接特点1)可焊接的材料范围广，可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料(如金、银、铜、铝等)和一些难熔金属的焊接，也可用于性能相差悬殊的异种金属材料(如导热、硬度、熔点等)、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。2)焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。3)焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性好。4)被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。5

5、)形成接头所需电能少，仅为电阻焊的5%；焊件变形小。6)不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。2.超声波焊接分类(1)点焊点焊是应用最广的一种焊接形式，根据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。(2)环焊环焊方法如图-所示，主要用于一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。(3)缝焊与电阻焊中的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。(4)线焊图-是线焊方法示意图，它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到，这

6、种方法最适用于金属薄箔的封口。(5)双超声波振动系统的点焊图-是采用两个不同频率的振动系统来完成一个焊点的点焊示意图，上下两个振动系统的频率分别为和(或)，上下振动系统的振动方向相互垂直，焊接时二者作直交振动。(6)超声波对焊超声波对焊主要用于金属的对接，是近年来开发的一种新方法，焊接原理如图-所示。2.超声波焊接分类图11-3超声波焊接的两种类型)切向传递)垂直传递振动方向1聚能器2上声极3焊件4下声极图11-4超声波点焊的类型)纵向振动系统)弯曲振动系统)轻型弯曲振动系统(图中数字号码及注释同图-，振幅分布纵向振动振幅分布弯曲振动振幅分布)1105.TIF图11-6超声波缝焊的振动形式)纵

7、向振动)弯曲振动)扭转振动滚轮上的振幅分布聚能器上的振动方向焊点上的振动方向垂直于纸面(向外)垂直于纸面(向里)图11-7超声波线焊示意图图11-8采用两个振动系统的图11-9超声波对焊示意图11.2.2超声波焊接头设计1.焊点设计2.焊接界面设计2.焊接界面设计(1)导能三角形界面如图-所示，在两块塑料界面的一边，沿着界面加一条小三角形凸缘，将超声波振动聚集在三角的尖端，由此减小焊件的接触面积，而形成集中的超声波能量。(2)台阶式界面为了提高焊接力，可设计成图-所示的台阶式焊接界面(W为板宽)，三角形凸缘可以使凸缘材料熔化之后流入预留的孔隙，能产生较大的切应力及拉力强度，这种设计还可以避免外

8、表面上产生的焊接痕迹。(3)凹凸插接式界面如图-1所示，待焊材料设计成带有三角形凸缘的凹凸形式，两焊件之间应留有间隙，凸形焊件壁应有一定的斜度，以便塑料件容易拼合，同时让熔融的材料有流动的空间，不致溢出外面。图11-10超声波点焊接头设计边距行距点距图11-11导能三角形界面图11-12台阶式界面图11-13凹凸插接式界面11.2.3超声波焊参数选择1.超声波振动频率2.振幅3.静压力F4.焊接时间5.焊接功率图11-14振动频率与焊点抗剪力的关系)不同硬度的影响)不同厚度的影响图11-15振幅与铝镁合金焊点抗剪力的关系图11-16静压力与焊点抗剪力的关系)纯铝.厚)退火态硬铝.厚图11-17

9、焊接时间对焊点抗剪力的影响1焊接静压力，振幅2焊接静压力，振幅图11-18静压力与功率的临界曲线功率静压力11.3.1塑料焊接(1)熔接法超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化，在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。(2)埋插法该方法首先将超声波传至金属(或螺母)，经高速振动，使金属物(螺母)直接埋入成型塑胶内，同时产生高温将塑胶熔化，其固化后完成埋插。(3)铆接法将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合时可利用超声铆接法。(4)点焊法利用小型焊头将两块大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料焊件上，实现超声波焊接。

10、(5)成形法利用超声波将塑料工件瞬间熔化成形。图11-19超声波焊接塑料常用的几种方法图11-20能进行超声波焊接的纯金属组合11021.TIF11022.TIF2.异种材料及新材料的焊接1)对于不同性质的金属材料之间的超声波焊接，决定于两材料的硬度。2)超声波焊可以在玻璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金属箔及金属丝，把两种物理性能相差悬殊的材料制成双金属接头，以满足微电子器件等行业的需求，表-列出了双金属接头的实例。3)超声波焊接广泛应用于微电子器件的互连、晶体管芯的焊接、晶闸管控制极的焊接，以及电子器件的封装等，最成功的应用是集成电路元件的互连。图11-23镍与铜超声波焊点显微组织()11

11、.4.1超声波焊机的型号及典型结构11024.TIF图11-25典型的超声波焊接设备)微型超声波焊机)计算机辅助超声波焊机)超声波焊接生产线11.4.2超声波焊接设备构成及功能1.超声波发生器2.声学系统3.加压机构4.程控装置2.声学系统(1)换能器换能器的作用是将超声波发生器的电磁振荡(电磁能)转变成相同频率的机械振动(机械能)，它是焊机的机械振动源。(2)传振杆超声波焊接的传振杆是与压电式换能器配套的声学器件，一般由45钢、低合金或超硬铝合金制成，主要是用来调整输出负载、固定系统及方便实际使用。(3)聚能器聚能器又称变幅杆，其作用是将换能器所转换成的高频弹性振动能量传递给焊件，以便调节换能器和负载的参数。(4)耦合杆耦合杆用于振动能量的传输及耦合，将聚能器输出的纵向振动改变为弯曲振动。(5)声极声极是直接与焊件接触的部件，分为上声极和下声极。图11-26聚能器的结构形式)圆锥形)指数形)阶梯形图11-27焊件的夹持结构1上声极2夹紧头3丝(焊件之一)4下声极5焊件