劉佳 董春雨

摘要：本文介紹了超聲波在金屬焊接中的應用，從超聲波的效應、超聲焊接技術、焊接機的應用幾個方面進行介紹，以供參考。

關鍵詞：超聲波；焊接；效應；技術

一、前言

當前，在金屬焊接技術中，超聲波具有明顯的優(yōu)勢，能夠產(chǎn)生一系列的特殊效應，在焊接作業(yè)中取得了明顯效果。

二、超聲波效應

超聲波在傳播過程中，傳播介質(zhì)質(zhì)點做高頻振動，會使超聲波產(chǎn)生能量衰減。各種載聲介質(zhì)影響超聲傳播行為的同時，超聲波的傳播也會產(chǎn)生一系列特殊的效應，作用于介質(zhì)的物化狀態(tài)。

1、聲流效應聲流是超聲在流體中傳播引起的非周期振蕩。介質(zhì)對超聲能量的吸收，會使超聲在介質(zhì)各處的聲壓不同，形成聲壓梯度帶。聲壓梯度達到幅值，流體會形成噴射，稱為聲流效應。聲流現(xiàn)象隨聲壓變化而發(fā)生改變。線性介質(zhì)內(nèi)，質(zhì)點速率正比于聲壓及聲波頻率的平方；非線性介質(zhì)內(nèi)聲阻抗不斷變化。

2、空化效應

超聲波跟其他所有聲波一樣，由收縮和膨脹兩個過程構(gòu)成一個周期。收縮過程中會在金屬中產(chǎn)生正壓，將金屬原子聚集到一起；膨脹過程會產(chǎn)生負壓，將原子拉開。如果膨脹的半個周期中金屬某處的壓力小于其本身的蒸發(fā)壓，氣泡就可以產(chǎn)生。而且，氣泡會繼續(xù)長大直到在受壓縮的半個周期發(fā)生破裂，這樣又會產(chǎn)生能量很高的沖擊波作用于金屬。在超聲波作用期間會有數(shù)千個氣泡不斷地生成、破裂，對金屬帶來持續(xù)的沖擊。

空化作用產(chǎn)生所需要的負壓值依賴于液體的種類和純度。對于純液體來說，超聲波很難產(chǎn)生足夠的負壓以導致氣泡的生成。以純水為例，要產(chǎn)生空化氣泡大約需要相當于1000個大氣壓的負壓，即使是能量最高的超聲波發(fā)生器也很難達到這個值。但是，如果液體中固體顆粒的周圍有氣體包圍，液體的蒸汽壓會被降低。這樣的效果類似于固體中的氣孔或裂紋會降低材料的強度。當充滿氣體的縫隙處受到超聲波負壓的作用時，填充在縫隙里的氣體就會膨脹直到形成一個氣泡進入液體里面。大多數(shù)的液體物質(zhì)里面都會有這樣細小的顆粒來激發(fā)空化氣泡的形成。超聲激發(fā)的氣泡會持續(xù)從超聲波的收縮與膨脹周期中吸收能量，趨向于達到一個內(nèi)部氣體和液體金屬之間壓力的動態(tài)平衡。有時，超聲波能夠維持氣泡的大小，使其做簡單的震動；有時，氣泡尺寸會增有所增加。氣泡長大依賴于超聲能量的大小。高能量超聲可以使氣泡在負壓作用時迅速長大，在正壓作用時沒有機會收縮。因此，這時的氣泡會迅速長大。而低能量超聲作用時，負壓作用下的氣泡表面積會比正壓作用下略大，這也就導致了擴散進入氣泡的氣體會比從氣泡中擴散出來的氣體量少，經(jīng)過很多個收縮和膨脹周期后，氣泡略微長大。最終，氣泡會達到一個臨界尺寸，這是它吸收超聲能量是最多的。這個臨界尺寸的值由超聲頻率決定。當氣泡不再能夠吸收超聲波的能量時，液體會沖向氣泡導致其破裂，我們稱之為內(nèi)爆。

三、超聲波焊接技術的工藝研究

1、適合超聲波焊接的材料

熱塑性塑料是超聲波焊接的理想材料。因為此種材料高溫受壓時不會形成不可恢復的分子聯(lián)結(jié)鍵，能夠重新加熱后迸行重塑。熱塑性塑料又包括非結(jié)晶性塑料和半結(jié)晶性塑料兩種類型。非結(jié)晶性聚合物的分子排列是隨機的，沒有確定的熔點。非結(jié)晶性聚合物傳遞能量的效率較高，因此只需較少的能量即可熔化。半結(jié)晶性聚合物的分子排列是極為有序的，且呈重復結(jié)構(gòu)特征。有一個非常確定的熔點。半結(jié)晶性聚合物熔化需要很高的溫度，要吸收大量的熱量，這使它比半結(jié)晶性聚合物更難焊接。

2、超聲波焊接方式

超聲波按連接方式可分為超聲波焊接、超聲波鉚接、超聲波點焊、超聲波埋植樹四種。

3、超聲波焊接焊線的設計

超聲波焊接過程中在超聲波振動能的作用下，焊接線首先開始熔化，熔體在壓力作用下向被焊產(chǎn)品上下表面鋪展，這樣在被焊產(chǎn)品之間形成一層薄薄的熔融塑料，當停止超聲后，溫度降下來熔融塑料凝固從而使被焊產(chǎn)品連接在一起。依據(jù)產(chǎn)品特點及場合，焊線一般采用三角形焊線、圍邊式焊線、峰谷式焊線和臺階式焊線。

四、超聲波焊接機的應用

將超聲波焊接機應用在鋁箔分切機上進行鋁箔的焊合，還需配套相應的機械傳動、位置檢測、機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和壓力調(diào)節(jié)控制等裝置，如行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、壓緊調(diào)節(jié)機構(gòu)。行走、升降機構(gòu)由電機驅(qū)動，壓緊裝置由氣缸控制，并可調(diào)整壓力。發(fā)生器的振幅、行走速度（焊接時間）、焊盤的接觸壓力可根據(jù)鋁箔厚度進行調(diào)整。

焊接裝置的組成主要有：

1套壓電陶瓷超聲波焊接裝置，功率在150～600W之間，可用于焊接0.006～0.04mm的鋁箔。其中包括：

1個高頻發(fā)生器，安裝在全鋼機殼內(nèi)（20kHz公稱頻率）。

1個高頻換能器，用于能量傳遞與轉(zhuǎn)換。

1個帶對稱旋轉(zhuǎn)的專用超聲波焊盤，用于焊接鋁箔斷頭。

1條專用電纜，用于超聲波發(fā)生器和換能器的連接。

1套安裝在主機架上的橫向移動裝置，包括焊接小車。焊接時，焊接小車由一臺帶精密定位調(diào)節(jié)裝置的變頻伺服電機驅(qū)動，在線性導軌上移動（傳動速度為1～8.5m/min）。焊頭在線性球形導軌上自動移至焊接位置。焊接裝置在不使用時移至位于導軌外伸段的停泊位置處，以免影響機器的操作。焊盤的壓力可在>0至400N之間進行調(diào)節(jié)。

1套焊接輥，用于支撐鋁箔和焊盤，作為鋁箔焊接的平臺。

五、超聲波焊接裝置的主要調(diào)節(jié)參數(shù)

由于鋁箔所具有的獨特金屬性能，對他的焊接性能要求較高，壓力和振幅等參數(shù)調(diào)整不合適極容易造成鋁箔斷裂或產(chǎn)生孔洞，致使金屬材料抗拉強度不夠。因此，在對不同厚度和合金規(guī)格的鋁箔進行焊接時，需要對相應的參數(shù)進行調(diào)整。

1、振幅大?。╝mplitude）：振幅是鋁箔焊接過程的一個關鍵參數(shù)，相當于電鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料氧化或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強度變差。超聲波焊接機在工作時，它的輸出振幅是恒定的，并需根據(jù)不同的焊接材料進行精確調(diào)整。振幅通過調(diào)節(jié)旋鈕使振幅在額定振幅的30%～100%范圍之間變化，同時對應額定焊接輸出功率在6%～100%范圍的變化。

2、焊接時間（weldingtime）：用于調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射的持續(xù)時間，最大調(diào)節(jié)時間為999ms，一般的根據(jù)焊接材料及厚度進行設定，通常超過1.5S熔接時間均可視作失敗熔接。

3、焊接頻率：調(diào)節(jié)焊接機的中心頻率，一般出廠時已經(jīng)調(diào)整好，無需調(diào)整。

4、接觸壓力：氣動部分主要作用是在焊接過程中完成焊盤加壓、保壓等壓力工作。包括節(jié)流閥、氣壓調(diào)節(jié)旋鈕。節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)氣缸的上、下速度。氣壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)工作氣壓，從而控制焊盤與鋁箔的接觸壓力。

改變焊接頭的接觸壓力和調(diào)節(jié)振幅，均能改變焊接輸出功率的大小。增加焊接機輸出功率時應相應的減少焊接時間，以避免輸出能量的損失，同時，可以將超聲波發(fā)生器發(fā)出的振動能量全部作用在焊接物體的熔合面上。功率過低將造成損耗增加，同時產(chǎn)生熔焊不足的效果。由于受材料特性的限制，僅靠增加焊接機振幅來提高輸出功率是有限的，超出機器承受的振幅能力會使焊盤損壞。壓力和振幅設定不當時，會造成輸出功率超出焊接機的額定輸出功率，動態(tài)過載報警將啟動，此時功率表指針將指向紅色區(qū)域，LED燈亮起，此時由于一些能量被反饋回電源，焊接能量得不到有效利用，會造成焊接過程失敗，因此應盡量避免這種過載狀態(tài)。

5、超聲波焊接機的動態(tài)過載保護和過熱保護功能。動態(tài)過載保護是為了保護超聲波發(fā)生器出現(xiàn)過載損壞，當功率超出額定功率或發(fā)生器/換能器系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行（如焊盤損壞和松動）時，過載現(xiàn)象將產(chǎn)生。此時，多余的能量將回饋電網(wǎng)。只有當故障消除后，焊接機才能正常工作。當冷卻條件和環(huán)境溫度超出正常值，過熱保護將啟動，只有當發(fā)生器溫度降低后，才能繼續(xù)工作。

六、結(jié)束語

總之，超聲波焊接技術的應用范圍不斷擴大，隨著該項技術的進一步完善，也必將發(fā)揮更大的作用，獲得更加廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]弗蘭茨.阿貝爾.塑料超聲波焊接[J]焊接技術.2010，（6）：30—33.

[2]周玉生，閏久春，董震，楊士勤.塑料超聲波焊接過程及質(zhì)量研究——焊接過程接頭熔化狀態(tài)分析[J].材料科學與工藝.2010，7（增刊）：53—58.