特种焊接技术第五章超声波焊接.pptVIP

材料科学与工程学院 压力焊 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院 特 种 焊 * 人耳只能感觉到 20～20000Hz 频率的声波，高于 20000Hz 的声波就是超声波了。超声波广泛地应用在多种技术中，超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个特点展开的。 超声波焊是利用超声频率的机械振动能量和静压力的共同作用，对焊件接头进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的一种压力焊方法。连接同种或异种金属、半导体、金属与金属陶瓷的方法。焊接时，利用是在静压力作用下将弹性振动能转变为工件间的摩擦功、形变能及有限升温。接头间冶金结合是在母材不熔化情况下实现的，属于固态焊接。 当前第1页\共有28页\编于星期四\18点 1-发生器 2-换能器 3-聚能器 4-耦合杆 5-上声极 6-焊件 7-下声级 A-振幅分布 F-静压力 V1-纵向振动方向 V2-弯曲振动方向 I-超声波震荡电流 金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件引入高温热源，只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的。因此属于固态焊接。 超声波焊原理图 当前第2页\共有28页\编于星期四\18点 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。焊件变形率一般低于3~5％。 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。 当前第3页\共有28页\编于星期四\18点 超声波焊接中能量转换与传递过程 电网 ~ 焊 件 超声波 发生器 磁致伸缩换能器 聚能器 上声极 传振杆 空气-传播超声波声能 60~80kHz 电磁振荡 50kHz 60~80kHz 机械振动 16~80kHz. 改变方向 16~80kHz. 机械振动 机械振动 超声波焊点区的涡流状塑性流动层 当前第4页\共有28页\编于星期四\18点 超声波焊的两个阶段 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。 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，当焊件造成局部连接后，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35~50%。 当前第5页\共有28页\编于星期四\18点 超声波焊接原理示意图 当前第6页\共有28页\编于星期四\18点 当前第7页\共有28页\编于星期四\18点 （二）超声波焊接机理 1、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 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 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。 4、也有人提出界面有微区熔化现象。 当前第8页\共有28页\编于星期四\18点 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方向不同分 1、振动能量由切 向转入焊件表面使界 面产生相对摩擦，图 a）。 适用于金属材 料的焊接； 2、振动能量垂直 于焊件表