超声波焊接特点与应用范围

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8．2超声波焊接设备及工艺

82．1超声波焊接设备的组组成

超声波点焊机组成如图8．5所示。主要由超声波发生器、声学学系统、加压机构和控制装

置等组成。

（1）超声波发生器

超声波发生器是一种具有超声频率的正弦电压波形的电源，实质上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。它的作用是用来将工频（50Hz）电流变换成

6～80kHz的高频振荡电流，并通过输出变压器与换能器相耦合。现代采用的是先进的逆

变式超声波发生器，具有体积小、效率高、控制性能优良的优点。

超声波发生器的负载是焊机的声学系统。焊接压力的改变以及焊件几何尺寸和物理性能

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的不同，都会引起负载的变化和声学系统自振频率的偏高。为了确保焊接质量的稳定，一般

都在超声波发生器的内部设置输出自动跟踪装置，使发生器与声学系统之间维持谐振状态以

及恒定功率的输出。

（2）声学系统

超声波焊的声学系统由换能器、聚能器、耦耦合杆和上、下声极等部件组成，主要作用是

传输弹性振动能量给焊件

①换能器用来将超声波发生器的电磁振荡转换成相同频率的机械振动动。常用的有磁

致伸缩式和压电式换能器两种。

磁致伸缩式换能器依靠磁致伸缩效应而工作。磁致伸缩效应是当铁磁材料置于交变磁场

中时，将会在材料的长度方向上发生宏观的同步伸缩变形现象。常用的铁磁材料有镍片和铁

铝合金。磁致伸缩式换能器工作稳定可靠，但换能效率只有20％～40％，目前用于大功率

超声波焊焊机

压电式换能器利用某些非金属压电晶体的逆压电效应而工作。当压电晶体材料在一定的

结晶面上受到压力或拉力时，就会出现电荷，称之压电效应。相反，当压电晶体在压电轴方

向馈入交变电场时，晶体就会沿一定方向发生同步的伸缩现象，即逆压电效应。压电式换能

器的主要优点是效率高，一般效率可达80％～90％，但使用寿命较短

②聚能器（又称变幅杆）起放大换能器输出的振振幅，耦合并传输到焊件的作用。其

中以指数形聚能器的放大系数高，工作稳定，结构强度高。聚能器承受疲劳载荷，应选用抗

疲劳强度和减少振动内耗的材料来制作，常用的是45钢、30 Crmnsi低合金钢、T8工具

③耦合杆（又称传振杆）主要用来改变振动形式，一般将聚能器输出的纵向振动改

变成弯曲振动。耦合杆结构简单，通常为圆柱杆，选用与聚能器相同的材料制作。

④声极分为上、下声极，是超声波焊机直接与焊件接触的声学部件。通用超声波点

焊机的上声极可以用各种方法与聚能器或耦合杆连接，其端部制成球面。下声极用以支撑焊

件和承受所加压力的反作用力，设计时应选择反谐振状态，使振动能可以在下声极表面反射

以减少能量损失。

（3）加压机构

向焊接部位施加静压力的机构主要有液压、气压、电磁加压和弹簧杠杆加压等。大功率

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多采用液压，因因无冲击力；小功率超声波焊机多用电磁加压和弹簧杠杆加压。实际使用

中如压机构还可能包括焊件的夹持机构，见图8．6。

（4）控制装置

超声波点焊的典型控制程序见图8．7。向焊件输入超声波之前需有一个预压时间t1，用

来施加静压力，这样既可防止因振动而引起焊件切向错位，以保证焊点尺寸精度，又可以避

免因加压过程中动压力与振动复合而引起焊件疲劳破坏。在消除粘连时间t3内静压力（F）

已被解除，但超声波振幅幅（A）继续存在，上声极与焊件之间将发生相对运动，从而可以有

效地清除上声极和焊件之间可能发生的粘连现象，这种粘连现象在焊接接Al、Mg及其合金时

随着电子技术的发展以及程控器不断更新，根据焊机的声学反馈及自动控制的需要，微

容易发生。

机控制已较较普遍

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