超声波焊接技术的工艺参数

8．2．3超声波焊的工艺参数

超声波焊接的主要工艺参数包括焊接功率P、振动频率f、振振幅A、静压力F和焊接

时间等。

（1）焊接功率

焊接功率取决于焊件的厚度。和材料的硬度H，并可按下式确定。

P=kH3/263/2式中，P为焊接功率，W；k为系数；H为材料的硬度，HV；8为焊件厚度。一般说来，所需的超声波焊接功率随焊件厚度和硬度的增加而增加。

（2）振振动频率

振动频率在超声波工艺上有两重意义，即谐振频率的数值和谐振频率的精度。谐谐振频率的选择以焊件的厚度及物理性能为依据，一般控制在15～75kHz之间间。薄件焊接时，宜选用较高的谐振频率，因为在维持声功能不变的前提下，提高振动频率就可以相应降低振幅，从而减轻薄件因交变应力而可能引起的疲劳破坏。通常小功率超声波焊机（100W以下）多选用25～75kHz的谐振频率。焊接厚件时或焊接硬度及屈服强度较低的材料时，宜选用较低的振动频率。大功率超声波焊机一般选用16～20kH2较低的谐振频率。由于超声波焊接过程中负载变化剧烈，随时可能出现失谐现象，导致接头强度的降低。因此焊机的频率一旦被确定以后，就需要维持声学系统的谐振，这是焊接质量及稳定性的基本保证。图8．11是超声波焊点抗剪力与振动频率的关系，材料的硬度越高，厚度越大，振动频率的影响越明显。振幅决定着摩擦功的大小，关关系到材料表面氧化膜的清除效果、塑性流动状态以及结合面的加热温度等。由于实际应用中超声功率的测量有困难，因因此常用振幅表示功率的大小下式确定。

n=4g

FAF

超声功率与振幅的关系可由

P=A. sfu-h-

SF2AA为焊点面积，7为相对速mm／s；A为振幅，m；∥为摩擦系数；a为角频率，＝2xf；f为振动频率，kHaa式中，P为超声功率，WF为静压力，N；超声波焊接振幅由焊件厚度和材质决定，选选用范围为5～25gm。较低的振幅适合于硬度较低或较薄的焊件，所以小功率超声波点焊机其频率较高而振幅范围较低。随着材料硬度及厚度的提高，选用的振幅值相应增大。当换能器材料及结构选定后，振幅大小还与聚能器的放大系数有关，可以通过调节超声波发生器的输出功率调节振幅的大小。

（4）静压力

静压力用来直接向焊件传递超声振动能量，选用取决于材料的厚度、硬度、接头形式和超声波功率。通常可通过绘制临界曲线的方法来选择静压力。静压力与功率的临界曲线见图8．12。

当静压力过低时，由于超声波几乎没有被传递到焊件，不足以在焊件之间产生一定的摩擦功，超声波能量几乎全部损耗在上声极与焊件之间的表面滑动，因此不可能形成连接。当静压力过大时，振动能量不能合理运用，过大的静压力使摩擦力过大，造成焊件之间的相对摩擦运动减弱，甚至会使振幅有所降低焊件间的连接面积不再增加，降低接头强度对某一特定产品，静压力可以与超声波焊功率相图8．12静压力与功率的临界曲线线联系加以确定。表8．4中列出各种功率的超声波焊机的静压力范围。

（5）焊接时间

焊接时间是超声波能量输入焊件的时间。焊点的形成有一个最小焊接时间，小于该时间不足以破坏金属表面氧化膜而无法焊接。通常随焊接时间的延长，接头强度增加，然后逐渐趋于稳定值。但当焊接时间过长时反使焊点强度下降，因为焊件受热加剧，塑性区扩大，引起焊点表面和内部的组织粗化，降低接头强度。焊接时间的选择随材料性质、厚度而定，高功率和短时间的焊接效果通常优于低功率和较长时间的焊接效果。当静压力、振幅增加及材料厚度减小时，超声波焊接时间可取较低数值。对于金属细丝或箔片，焊接时间为0．01～0．1s，对于金属厚板焊接时间一般不会超过1.5。

除了上述的主要工艺参数外，还有一些影响焊接过程的其他工艺因素。例如焊机的精度以及焊接气氛等。一般情况下超声波焊无需对焊件进行气体保护，只有在特殊应用场合下如钛的焊接、锂与钢的焊接等才采用氩气保护。在有些包装应用场合，可能需在干燥箱内或无菌室内进行焊接。表8．5列出几种材料超声波焊接的工艺参数示例。

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