1、特种焊接技术第五章超声波焊接特种焊接技术第五章超声波焊接1 超声波焊原理及分类超声波焊原理及分类 一、超声波焊接的原理一、超声波焊接的原理 （一）超声波特性及焊接过程（一）超声波特性及焊接过程 金属超声波焊接时，金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也既不向工件输送电流，也不向工件引入高温热源，不向工件引入高温热源，只是在静压力下将弹性振只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后的温擦功、形变能及随后的温升。接头间的冶金结合是升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况在母材不发生熔化的情况下实现的。因此属于固态下实现的。因此属于固态焊接。焊接。1-发
2、生器发生器 2-换能器换能器 3-聚能器聚能器4-耦合杆耦合杆 5-上声极上声极 6-焊件焊件 7-下声级下声级A-振幅分布振幅分布 F-静压力静压力 V1-纵向振动方向纵向振动方向 V2-弯曲振动方向弯曲振动方向 I-超声波震荡电流超声波震荡电流超声波焊原理图超声波焊原理图 在进行超声波焊接时，通常由高频发生器产生在进行超声波焊接时，通常由高频发生器产生16 60KHz的高频电流，通过激磁线圈产生交变磁的高频电流，通过激磁线圈产生交变磁场，使铁磁材料在交变磁场中发生长度的交变伸缩场，使铁磁材料在交变磁场中发生长度的交变伸缩（磁致伸缩），超声频率的电磁能便转换成为振动（磁致伸缩），超声频率的电
3、磁能便转换成为振动能，再由传送器传至声极；同时通过声极对工件加能，再由传送器传至声极；同时通过声极对工件加压，平行于连接面的机械振动起着破碎和清除工件压，平行于连接面的机械振动起着破碎和清除工件表面氧化膜的作用，并加速金属的扩散和再结晶过表面氧化膜的作用，并加速金属的扩散和再结晶过程。适当选择振荡频率，当发生器振荡电流频率与程。适当选择振荡频率，当发生器振荡电流频率与声学系统的自振频率一致时，产生共振，在配合适声学系统的自振频率一致时，产生共振，在配合适当压力和焊接时间，即可获得优质接头。焊件变形当压力和焊接时间，即可获得优质接头。焊件变形率一般低于率一般低于35。超声波焊缝的形成过程主要由震
4、动剪切力、静超声波焊缝的形成过程主要由震动剪切力、静压力和接头区的升温三个因素所决定。压力和接头区的升温三个因素所决定。超声波焊接中能量转换与传递过程超声波焊接中能量转换与传递过程电网电网焊焊 件件超声波超声波发生器发生器磁致伸缩磁致伸缩换能器换能器聚能器聚能器上声极上声极传振杆传振杆空气空气-传播超传播超声波声能声波声能6080kHz电磁振荡电磁振荡50kHz6080kHz机械振动机械振动1680kHz.改变方向改变方向1680kHz.机械振动机械振动机械振动机械振动超声波焊点超声波焊点区的涡流状区的涡流状塑性流动层塑性流动层 超声波焊的两个阶段超声波焊的两个阶段 第一阶段预压阶段。由于上声
5、极超声振动，使第一阶段预压阶段。由于上声极超声振动，使其与上焊件间产生摩擦而造成暂时连接，然后通过其与上焊件间产生摩擦而造成暂时连接，然后通过它们直接将超声波传到焊件接触面上，使其产生剧它们直接将超声波传到焊件接触面上，使其产生剧烈摩擦，清除表面油污、氧化物等杂质，露出纯净烈摩擦，清除表面油污、氧化物等杂质，露出纯净的金属表面，其振幅仅为几十微米。此阶段主要是的金属表面，其振幅仅为几十微米。此阶段主要是摩擦过程，相对摩擦速度与摩擦焊相近。摩擦过程，相对摩擦速度与摩擦焊相近。第二阶段焊接阶段，主要是应力应变阶段。切第二阶段焊接阶段，主要是应力应变阶段。切应力方向每秒钟将变化几千次，造成摩擦，当焊
6、件应力方向每秒钟将变化几千次，造成摩擦，当焊件造成局部连接后，振动应力和应变将成为金属间冶造成局部连接后，振动应力和应变将成为金属间冶金结合的条件。即在结合面上产生联生晶粒，出现金结合的条件。即在结合面上产生联生晶粒，出现再结晶、扩散、相变或金属间结合等。局部温度可再结晶、扩散、相变或金属间结合等。局部温度可达金属熔点的达金属熔点的3550%。超声波焊接原理示意图超声波焊接原理示意图 （二）超声波焊接机理（二）超声波焊接机理 1、接触塑性流动层内机械嵌合、接触塑性流动层内机械嵌合 在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要作用，在金属与非金属焊接时起主导作
7、用。作用，在金属与非金属焊接时起主导作用。2、金属原子间的键合、金属原子间的键合 接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。3、焊接过程中的金属间物理冶金反应、焊接过程中的金属间物理冶金反应 接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应，接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应，如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小
8、于有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小于2s）再结晶、扩散、相变难以实现。再结晶、扩散、相变难以实现。4、也有人提出界面有微区熔化现象。、也有人提出界面有微区熔化现象。二、超声波焊的分类二、超声波焊的分类 （一）根据超声波弹性振动能量转入焊件的（一）根据超声波弹性振动能量转入焊件的方向不同分方向不同分 1、振动能量由切、振动能量由切 向转入焊件表面使界向转入焊件表面使界 面产生相对摩擦，图面产生相对摩擦，图 a）。）。适用于金属材适用于金属材 料的焊接；料的焊接；2、振动能量垂直、振动能量垂直 于焊件表面方向转入于焊件表面方向转入 焊件，图焊件，图b）适于塑适于塑 料的焊接。料的焊接。（二）
9、根据接头形式分（二）根据接头形式分 1、点焊、点焊 按能量传递方式可分单侧和双侧两类。当振动按能量传递方式可分单侧和双侧两类。当振动能量值通过上声极导入时为单侧式点焊；分别由上能量值通过上声极导入时为单侧式点焊；分别由上下声极导入为双侧式点焊。前者最常用。下声极导入为双侧式点焊。前者最常用。2、缝焊、缝焊 缝焊时超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输缝焊时超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输给工件，形成具有密封性的连续焊缝。给工件，形成具有密封性的连续焊缝。缝焊可以获得密封的连续焊缝。通常工件被夹缝焊可以获得密封的连续焊缝。通常工件被夹持在上、下焊盘之间。在特殊情况下可采用平板式持在上、下焊盘之间。
10、在特殊情况下可采用平板式下声极。下声极。3、环焊、环焊 用环焊方法可以一次形成用环焊方法可以一次形成封闭形焊缝，采用的是扭转振封闭形焊缝，采用的是扭转振动系统。焊接时焊盘扭转，振动系统。焊接时焊盘扭转，振动振幅相对于声极轴线呈对称动振幅相对于声极轴线呈对称线性分布，轴心区振幅为零，线性分布，轴心区振幅为零，焊盘边缘振幅最大。显然环焊焊盘边缘振幅最大。显然环焊最适用于微电子器件的封装工最适用于微电子器件的封装工艺。有时环焊也用于对气密要艺。有时环焊也用于对气密要求特别高的直线焊缝场合，此求特别高的直线焊缝场合，此时可采用部分重叠环焊方法，时可采用部分重叠环焊方法，类似缝焊获得连续直线焊缝。类似缝
11、焊获得连续直线焊缝。4、线焊、线焊 线焊可以看成是线焊可以看成是点焊方法的延伸。利点焊方法的延伸。利用线状上声极或将多用线状上声极或将多个焊点叠合在一起，个焊点叠合在一起，在一个焊接循环内形在一个焊接循环内形成一条直线焊缝。现成一条直线焊缝。现已经可以通过线状上已经可以通过线状上声极上次获得声极上次获得150mm长的线状焊缝。这种长的线状焊缝。这种方法最适用于金属箔方法最适用于金属箔片的线状封口。片的线状封口。2 超声波焊特点及应用超声波焊特点及应用 一、超声波焊接的特点一、超声波焊接的特点 1、超声波焊的优点、超声波焊的优点 1）可适用于多种组合材料的焊接。）可适用于多种组合材料的焊接。2）
12、由于是固相焊接方法，不受冶金焊接性的）由于是固相焊接方法，不受冶金焊接性的约束，不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。约束，不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。微电子器件中，半导体硅片与金属细丝（微电子器件中，半导体硅片与金属细丝（Au、Ag、Al、Pt、Ta）的精密焊接是超声波焊接方法最重要）的精密焊接是超声波焊接方法最重要和最成功的一个应用领域。和最成功的一个应用领域。3）适于焊接高热导率及高电导率的材料。例）适于焊接高热导率及高电导率的材料。例如金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊如金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊的，使用超声波焊接，这些金属成为最容易焊接的的，使用超声
13、波焊接，这些金属成为最容易焊接的几种材料。几种材料。4）与电阻点焊相比，耗用功率仅为电阻点焊）与电阻点焊相比，耗用功率仅为电阻点焊的的 5%左右。变形小于左右。变形小于35%。焊点强度及强度稳定。焊点强度及强度稳定性平均提高约性平均提高约1520。5）对工件表面的清洁度要求不高，允许少量）对工件表面的清洁度要求不高，允许少量的氧化膜及油污等存在。甚至可以焊接带漆及聚合的氧化膜及油污等存在。甚至可以焊接带漆及聚合物薄膜的金属。根据这一特点，近年来发展了先胶物薄膜的金属。根据这一特点，近年来发展了先胶后点焊的超声波胶点焊方法。后点焊的超声波胶点焊方法。2、超声波焊的缺点、超声波焊的缺点 金属超声波
14、焊的一个主要缺点是焊接需用功率金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用于丝、箔、片等薄件。此外，虽然近年来已发明了于丝、箔、片等薄件。此外，虽然近年来已发明了超声波对焊方法，但绝大多数情况下超声波焊只适超声波对焊方法，但绝大多数情况下超声波焊只适用于搭接接头。用于搭接接头。可实现铝及铝合金焊接、铜及铜合金的焊接、钛及钛合金的焊接、高熔点材料的焊接。超声波焊点区的涡流状塑性流动层分别由上下声极导入为双侧式点焊。C-加压机构 D-控制装置缝焊时超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输给工件，形成具有密封性的连续焊缝。
15、上声极可做成球面，下声极用以支撑工件和所加压力的反作用力。广泛应用于微电子器件、集成电路元件、晶体管芯的焊接。效率高达8090%，但寿命短。一、超声波焊接的原理超声波胶点焊在中国制造的50万千伏超高电压变压器屏蔽构件中获得成功应用。上声极可做成球面，下声极用以支撑工件和所加压力的反作用力。3、环焊微电子器件中，半导体硅片与金属细丝（Au、Ag、Al、Pt、Ta）的精密焊接是超声波焊接方法最重要和最成功的一个应用领域。氧化严重和有锈层，仍需清理。2、振动能量垂直2、超声波焊的缺点二、超声波焊的应用二、超声波焊的应用 1、电子工业、电子工业 广泛应用于微电子器件、集成电路元件、晶体广泛应用于微电子
16、器件、集成电路元件、晶体管芯的焊接。管芯的焊接。1）在）在1mm2硅片上，有数百条硅片上，有数百条2550m的的Al或或Au丝通过超声波焊将焊点部位相互连接。丝通过超声波焊将焊点部位相互连接。2）锂电池中金属锂片与不锈钢底座之间的连）锂电池中金属锂片与不锈钢底座之间的连接，以前是嵌合，质量不可靠、电阻大，超声波焊接，以前是嵌合，质量不可靠、电阻大，超声波焊质量可靠、生产率提高。质量可靠、生产率提高。2、电器制造、电器制造 超声波胶点焊在中国制造的超声波胶点焊在中国制造的50万千伏超高电压万千伏超高电压变压器屏蔽构件中获得成功应用。变压器屏蔽构件中获得成功应用。3、新材料制备、新材料制备 可在玻
17、璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金可在玻璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金属箔及丝；也可实现超导材料之间及超导材料与导属箔及丝；也可实现超导材料之间及超导材料与导电材料之间的连接；铝塑复合管的焊接；物理性能电材料之间的连接；铝塑复合管的焊接；物理性能相差悬殊材料制成的双金属接头等。相差悬殊材料制成的双金属接头等。如太阳能热水器铜集板与铜管之间的焊接。如太阳能热水器铜集板与铜管之间的焊接。4、航空、航天及核能工业、航空、航天及核能工业 宇宙飞船中的核电转换装置中，铝与不锈钢组宇宙飞船中的核电转换装置中，铝与不锈钢组件、导弹的接地线、卫星上的铍窗等。件、导弹的接地线、卫星上的铍窗等。5、封装工业的
18、包装材料、封装工业的包装材料 从软箔小包装到密封管壳等均可采用超声波环从软箔小包装到密封管壳等均可采用超声波环焊、缝焊和线焊焊接密性封装结构。焊、缝焊和线焊焊接密性封装结构。根据焊件的接头形式，超声波焊机可分为点焊根据焊件的接头形式，超声波焊机可分为点焊机、缝焊机、环焊机和线焊机等。主要由超声波发机、缝焊机、环焊机和线焊机等。主要由超声波发生器、电生器、电-声换能耦合器（声学系统）、加压机构、声换能耦合器（声学系统）、加压机构、焊接时间及加压程序定是控制装置等组成。焊接时间及加压程序定是控制装置等组成。3 超声波焊设备及工艺超声波焊设备及工艺一、超声波焊设备一、超声波焊设备A-发生器发生器 B
19、-声学系统声学系统 C-加压机构加压机构 D-控制装置控制装置1-发生器发生器 2-换能器换能器 3-聚能器聚能器 4-耦合杆耦合杆5-上声极上声极6-焊件焊件7-下声级下声级8-电磁加压装置电磁加压装置9-控制加压电源控制加压电源10-程控器程控器1、超声波发生器、超声波发生器 是焊机的核心设备。它是一种具有超声频率的是焊机的核心设备。它是一种具有超声频率的正弦电压波的电源，实质是一个包括机械振动系统正弦电压波的电源，实质是一个包括机械振动系统在内的单级或多级放大的自激振荡器。作用是将工在内的单级或多级放大的自激振荡器。作用是将工频（频（50Hz）电流变成电流变成 15 60Hz 的震荡电流
20、，并通的震荡电流，并通过输出变压器与换能器相耦合。过输出变压器与换能器相耦合。2、声学系统、声学系统 超声波的关键部件，是电声耦合装置（声学系超声波的关键部件，是电声耦合装置（声学系统），由换能器、聚能器（变幅杆）、耦合杆（传统），由换能器、聚能器（变幅杆）、耦合杆（传振杆和上下声极）等组成。振杆和上下声极）等组成。主要作用是传输弹性振动能给焊件，以实现焊主要作用是传输弹性振动能给焊件，以实现焊接。声学系统设计的关在于按照选定的频率计算每接。声学系统设计的关在于按照选定的频率计算每个声学组元的自振频率。个声学组元的自振频率。（1）换能器）换能器 将发生器的电震荡能转换成相同频率的机械振将发生器
21、的电震荡能转换成相同频率的机械振动能，是焊机的机械振动源。有磁致伸缩式和压电动能，是焊机的机械振动源。有磁致伸缩式和压电式两种。式两种。磁致伸缩效应是当铁磁材料置于交变磁场中，磁致伸缩效应是当铁磁材料置于交变磁场中，将会在材料的长度方向发生宏观的同步伸缩变形现将会在材料的长度方向发生宏观的同步伸缩变形现象，常用镍片和铁铝合金，工作可靠，但换能效率象，常用镍片和铁铝合金，工作可靠，但换能效率仅为仅为2030%，已被压电式换能器所替代。，已被压电式换能器所替代。压电式是利用某些非金属压电晶体（如石英、压电式是利用某些非金属压电晶体（如石英、锆酸铅、锆钛酸等）的逆压电效应。当压电材料在锆酸铅、锆钛酸
22、等）的逆压电效应。当压电材料在一定晶面上受到压力或拉力时，会出现电荷，称为一定晶面上受到压力或拉力时，会出现电荷，称为正压电效应；反正，当在压电轴方向馈入交变电场正压电效应；反正，当在压电轴方向馈入交变电场时，晶体会沿一定方向发生同步收缩现象，称逆压时，晶体会沿一定方向发生同步收缩现象，称逆压电效应。效率高达电效应。效率高达8090%，但寿命短。，但寿命短。（2）聚能器（变幅杆）聚能器（变幅杆）作用是将换能器所转换的成的高频弹性振动能作用是将换能器所转换的成的高频弹性振动能量传递给焊件，还有使输出振幅放大和集中能量的量传递给焊件，还有使输出振幅放大和集中能量的作用。焊接时振幅一般在作用。焊接时
23、振幅一般在 540m，而一般换能器，而一般换能器小于此数值，所以必须放大。小于此数值，所以必须放大。（3）耦合杆）耦合杆 用于改变振动形式，一般是将聚能器输出的纵用于改变振动形式，一般是将聚能器输出的纵向振动改变成为弯曲振动，通常为圆柱形，气自振向振动改变成为弯曲振动，通常为圆柱形，气自振频率应根据耦合条件设计。频率应根据耦合条件设计。（4）声极）声极 分上、下声极，是超声波焊机直接与焊件接触分上、下声极，是超声波焊机直接与焊件接触的声学部件，并与聚能器或耦合杆连接。上声极可的声学部件，并与聚能器或耦合杆连接。上声极可做成球面，下声极用以支撑工件和所加压力的反作做成球面，下声极用以支撑工件和所
24、加压力的反作用力。用力。作用是向焊接部位施加静压力。目前主要有液作用是向焊接部位施加静压力。目前主要有液压、气压、电磁加压和自重加压等。加压机构还包压、气压、电磁加压和自重加压等。加压机构还包括焊件的夹持机构。括焊件的夹持机构。3、加压机构、加压机构4、程序控制器、程序控制器 利用计算机进行声学反馈及自动程序控制，如利用计算机进行声学反馈及自动程序控制，如超声波点焊的预加压时间、焊接时间、消除粘连时超声波点焊的预加压时间、焊接时间、消除粘连时间、休止时间等。间、休止时间等。二、接头设计及准备二、接头设计及准备1、接头设计、接头设计 由于焊接过程母材不发生熔化，焊点不受过大由于焊接过程母材不发生
25、熔化，焊点不受过大压力，因此可自由设计点距、边距和行距等参数。压力，因此可自由设计点距、边距和行距等参数。2、焊件表面准备、焊件表面准备 不需严格清理，因为振动不需严格清理，因为振动对表面层有破碎清理作用。氧对表面层有破碎清理作用。氧化严重和有锈层，仍需清理。化严重和有锈层，仍需清理。sre3、上声极选用、上声极选用 尽可能选用摩擦系数大以尽可能选用摩擦系数大以及具有足够耐磨性的材料。目及具有足够耐磨性的材料。目前焊铝、铜等用高速钢、轴承前焊铝、铜等用高速钢、轴承钢；焊钛、锆、高强钢等常采钢；焊钛、锆、高强钢等常采用沉淀强化型镍基超级合金。用沉淀强化型镍基超级合金。1、焊接功率、焊接功率2、振
26、动频率、振动频率3、振幅、振幅4、静压力、静压力5、焊接时间、焊接时间三、焊接参数三、焊接参数焊接金属材料时，最常用的方法是点焊。焊件变形率一般低于35。1 超声波焊原理及分类特种焊接技术第五章超声波焊接（3）耦合杆2）由于是固相焊接方法，不受冶金焊接性的约束，不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。（二）超声波焊接机理2、缝焊4 典型材料的超声波焊典型材料的超声波焊一、同种材料的超声波焊一、同种材料的超声波焊 焊接金属材料时，最常用的方法是点焊。焊接金属材料时，最常用的方法是点焊。易于实现同种金属材料的可靠连接易于实现同种金属材料的可靠连接。焊接不同。焊接不同厚度的组合焊件时，超声振动应从比较
27、薄的焊件一厚度的组合焊件时，超声振动应从比较薄的焊件一方导入，焊接参数也是根据薄焊件的厚度来确定。方导入，焊接参数也是根据薄焊件的厚度来确定。（一）同种金属材料的焊接（一）同种金属材料的焊接 可实现铝及铝合金焊接、铜及铜合金的焊接、可实现铝及铝合金焊接、铜及铜合金的焊接、钛及钛合金的焊接、高熔点材料的焊接。钛及钛合金的焊接、高熔点材料的焊接。（二）塑料的超声波焊（二）塑料的超声波焊 塑料焊接时，通常尽量将焊件的结合面置于谐塑料焊接时，通常尽量将焊件的结合面置于谐振曲线的波节点上，以便在这里释放出最高的局部振曲线的波节点上，以便在这里释放出最高的局部热量，以使材料受热熔化达到焊接的目的。热量，以使材料受热熔化达到焊接的目的。塑料焊接面预加工设计塑料焊接面预加工设计 塑料超声波焊的原理塑料超声波焊的原理是焊接面在超声波能量作是焊接面在超声波能量作用下进行高频机械振动而用下进行高频机械振动而加热融化，同时施加焊接加热融化，同时施加焊接压力。压力。
