刘佳 董春雨

摘要：本文介绍了超声波在金属焊接中的应用，从超声波的效应、超声焊接技术、焊接机的应用几个方面进行介绍，以供参考。

关键词：超声波；焊接；效应；技术

一、前言

当前，在金属焊接技术中，超声波具有明显的优势，能够产生一系列的特殊效应，在焊接作业中取得了明显效果。

二、超声波效应

超声波在传播过程中，传播介质质点做高频振动，会使超声波产生能量衰减。各种载声介质影响超声传播行为的同时，超声波的传播也会产生一系列特殊的效应，作用于介质的物化状态。

1、声流效应声流是超声在流体中传播引起的非周期振荡。介质对超声能量的吸收，会使超声在介质各处的声压不同，形成声压梯度带。声压梯度达到幅值，流体会形成喷射，称为声流效应。声流现象随声压变化而发生改变。线性介质内，质点速率正比于声压及声波频率的平方；非线性介质内声阻抗不断变化。

2、空化效应

超声波跟其他所有声波一样，由收缩和膨胀两个过程构成一个周期。收缩过程中会在金属中产生正压，将金属原子聚集到一起；膨胀过程会产生负压，将原子拉开。如果膨胀的半个周期中金属某处的压力小于其本身的蒸发压，气泡就可以产生。而且，气泡会继续长大直到在受压缩的半个周期发生破裂，这样又会产生能量很高的冲击波作用于金属。在超声波作用期间会有数千个气泡不断地生成、破裂，对金属带来持续的冲击。

空化作用产生所需要的负压值依赖于液体的种类和纯度。对于纯液体来说，超声波很难产生足够的负压以导致气泡的生成。以纯水为例，要产生空化气泡大约需要相当于1000个大气压的负压，即使是能量最高的超声波发生器也很难达到这个值。但是，如果液体中固体颗粒的周围有气体包围，液体的蒸汽压会被降低。这样的效果类似于固体中的气孔或裂纹会降低材料的强度。当充满气体的缝隙处受到超声波负压的作用时，填充在缝隙里的气体就会膨胀直到形成一个气泡进入液体里面。大多数的液体物质里面都会有这样细小的颗粒来激发空化气泡的形成。超声激发的气泡会持续从超声波的收缩与膨胀周期中吸收能量，趋向于达到一个内部气体和液体金属之间压力的动态平衡。有时，超声波能够维持气泡的大小，使其做简单的震动；有时，气泡尺寸会增有所增加。气泡长大依赖于超声能量的大小。高能量超声可以使气泡在负压作用时迅速长大，在正压作用时没有机会收缩。因此，这时的气泡会迅速长大。而低能量超声作用时，负压作用下的气泡表面积会比正压作用下略大，这也就导致了扩散进入气泡的气体会比从气泡中扩散出来的气体量少，经过很多个收缩和膨胀周期后，气泡略微长大。最终，气泡会达到一个临界尺寸，这是它吸收超声能量是最多的。这个临界尺寸的值由超声频率决定。当气泡不再能够吸收超声波的能量时，液体会冲向气泡导致其破裂，我们称之为内爆。

三、超声波焊接技术的工艺研究

1、适合超声波焊接的材料

热塑性塑料是超声波焊接的理想材料。因为此种材料高温受压时不会形成不可恢复的分子联结键，能够重新加热后迸行重塑。热塑性塑料又包括非结晶性塑料和半结晶性塑料两种类型。非结晶性聚合物的分子排列是随机的，没有确定的熔点。非结晶性聚合物传递能量的效率较高，因此只需较少的能量即可熔化。半结晶性聚合物的分子排列是极为有序的，且呈重复结构特征。有一个非常确定的熔点。半结晶性聚合物熔化需要很高的温度，要吸收大量的热量，这使它比半结晶性聚合物更难焊接。

2、超声波焊接方式

超声波按连接方式可分为超声波焊接、超声波铆接、超声波点焊、超声波埋植树四种。

3、超声波焊接焊线的设计

超声波焊接过程中在超声波振动能的作用下，焊接线首先开始熔化，熔体在压力作用下向被焊产品上下表面铺展，这样在被焊产品之间形成一层薄薄的熔融塑料，当停止超声后，温度降下来熔融塑料凝固从而使被焊产品连接在一起。依据产品特点及场合，焊线一般采用三角形焊线、围边式焊线、峰谷式焊线和台阶式焊线。

四、超声波焊接机的应用

将超声波焊接机应用在铝箔分切机上进行铝箔的焊合，还需配套相应的机械传动、位置检测、机构旋转和压力调节控制等装置，如行走机构、升降机构、压紧调节机构。行走、升降机构由电机驱动，压紧装置由气缸控制，并可调整压力。发生器的振幅、行走速度（焊接时间）、焊盘的接触压力可根据铝箔厚度进行调整。

焊接装置的组成主要有：

1套压电陶瓷超声波焊接装置，功率在150～600w之间，可用于焊接0.006～0.04mm的铝箔。其中包括：

1个高频发生器，安装在全钢机壳内（20khz公称频率）。

1个高频换能器，用于能量传递与转换。

1个带对称旋转的专用超声波焊盘，用于焊接铝箔断头。

1条专用电缆，用于超声波发生器和换能器的连接。

1套安装在主机架上的横向移动装置，包括焊接小车。焊接时，焊接小车由一台带精密定位调节装置的变频伺服电机驱动，在线性导轨上移动（传动速度为1～8.5m/min）。焊头在线性球形导轨上自动移至焊接位置。焊接装置在不使用时移至位于导轨外伸段的停泊位置处，以免影响机器的操作。焊盘的压力可在>0至400n之间进行调节。

1套焊接辊，用于支撑铝箔和焊盘，作为铝箔焊接的平台。

五、超声波焊接装置的主要调节参数

由于铝箔所具有的独特金属性能，对他的焊接性能要求较高，压力和振幅等参数调整不合适极容易造成铝箔断裂或产生孔洞，致使金属材料抗拉强度不够。因此，在对不同厚度和合金规格的铝箔进行焊接时，需要对相应的参数进行调整。

1、振幅大小（amplitude）：振幅是铝箔焊接过程的一个关键参数，相当于电铬铁的温度，温度达不到就会熔接不上，温度过高就会使原材料氧化或导致结构破坏而强度变差。超声波焊接机在工作时，它的输出振幅是恒定的，并需根据不同的焊接材料进行精确调整。振幅通过调节旋钮使振幅在额定振幅的30%～100%范围之间变化，同时对应额定焊接输出功率在6%～100%范围的变化。

2、焊接时间（weldingtime）：用于调节超声波发射的持续时间，最大调节时间为999ms，一般的根据焊接材料及厚度进行设定，通常超过1.5s熔接时间均可视作失败熔接。

3、焊接频率：调节焊接机的中心频率，一般出厂时已经调整好，无需调整。

4、接触压力：气动部分主要作用是在焊接过程中完成焊盘加压、保压等压力工作。包括节流阀、气压调节旋钮。节流阀用于调节气缸的上、下速度。气压调节旋钮调节工作气压，从而控制焊盘与铝箔的接触壓力。

改变焊接头的接触压力和调节振幅，均能改变焊接输出功率的大小。增加焊接机输出功率时应相应的减少焊接时间，以避免输出能量的损失，同时，可以将超声波发生器发出的振动能量全部作用在焊接物体的熔合面上。功率过低将造成损耗增加，同时产生熔焊不足的效果。由于受材料特性的限制，仅靠增加焊接机振幅来提高输出功率是有限的，超出机器承受的振幅能力会使焊盘损坏。压力和振幅设定不当时，会造成输出功率超出焊接机的额定输出功率，动态过载报警将启动，此时功率表指针将指向红色区域，led灯亮起，此时由于一些能量被反馈回电源，焊接能量得不到有效利用，会造成焊接过程失败，因此应尽量避免这种过载状态。

5、超声波焊接机的动态过载保护和过热保护功能。动态过载保护是为了保护超声波发生器出现过载损坏，当功率超出额定功率或发生器/换能器系统出现不正常运行（如焊盘损坏和松动）时，过载现象将产生。此时，多余的能量将回馈电网。只有当故障消除后，焊接机才能正常工作。当冷却条件和环境温度超出正常值，过热保护将启动，只有当发生器温度降低后，才能继续工作。

六、结束语

总之，超声波焊接技术的应用范围不断扩大，随着该项技术的进一步完善，也必将发挥更大的作用，获得更加广阔的发展空间。

参考文献：

[1]弗兰茨.阿贝尔.塑料超声波焊接[j]焊接技术.2010，（6）：30—33.

[2]周玉生，闰久春，董震，杨士勤.塑料超声波焊接过程及质量研究——焊接过程接头熔化状态分析[j].材料科学与工艺.2010，7（增刊）：53—58.