韓建輝

摘 要：超聲波金屬焊接是一種新興的特種加工技術(shù)，它在很多方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，并且在各領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應用。這種先進的焊接技術(shù)不僅是科技進步的重要體現(xiàn)，同時也為人類社會發(fā)展做出了重大貢獻。鑒于此，文章分析了超聲波金屬焊接的優(yōu)缺點以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展進行了展望，以期使超聲波金屬焊接技術(shù)在我國得到更全面的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：超聲波；金屬焊接；現(xiàn)狀；展望

超聲波金屬焊接起源于1950年的美國，當時正處于美國工業(yè)社會發(fā)展時期，工業(yè)的快速發(fā)展要求技術(shù)上進行不斷的創(chuàng)新，以滿足人們?nèi)找媾蛎浀奈镔|(zhì)需要，超聲波金屬焊接便由此誕生，并很快得到了廣泛的應用。如今，超聲波金屬焊接的應用領(lǐng)域囊括了電子工業(yè)、制造業(yè)、食品工業(yè)以及核能工業(yè)等，其不但在技術(shù)方面領(lǐng)先于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，而且具有節(jié)能環(huán)保以及操作方便等特點，能夠促進我國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設。可以說，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了巨大的促進作用。

1 超聲波金屬焊接優(yōu)缺點分析

1.1 優(yōu)點

超聲波金屬焊接是一項全新的技術(shù)，對其研究和應用還處于發(fā)展階段，但毋庸置疑的是，它在很多方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1.1 壓力小、能耗低

超聲波金屬焊接不同于傳統(tǒng)焊接的最大優(yōu)點是其壓力小且能耗低，這在很大程度上節(jié)約了能量成本，并且其還能將不同種類的金屬材料焊接在一起，突破了原本受技術(shù)限制而不能實現(xiàn)異種金屬焊接的瓶頸。另外，在金屬零件快速成形的過程中，其可以埋入一些功能器件來實現(xiàn)智能金屬基復合材料，這是傳統(tǒng)焊接技術(shù)所不能達到的。

1.1.2 速度快、穩(wěn)定性高

超聲波金屬焊接可以通過使用點焊和連續(xù)焊，來保證焊接速度的提升，它不但能將不同物理性能的材料焊接完好，還能應用于其他技術(shù)不能達到的厚薄相差懸殊以及多層金屬片之間的焊接。由于其焊點強度非常高，導致其具有很好的穩(wěn)定性。

1.1.3 程序簡便、精度高

超聲波金屬焊接技術(shù)在焊接過程中只需簡潔的程序就能保障焊接成品的質(zhì)量，其程序的簡便之處體現(xiàn)在以下幾點：首先，無需采用水冷和氣體的保護，省去了對焊接成品的退熱處理過程；其次，不用焊條，焊接的金屬不被直接加熱，減少能源損耗，避免加熱的麻煩；最后，不需要添加焊劑，省去后期對成品的清潔處理以及環(huán)保處理。超聲波金屬焊接還使用了一種功率電子線路，能夠通過電氣控制達到高密度的焊接。

1.2 缺點

超聲波金屬焊接在其發(fā)展過程中也產(chǎn)生了一些弊端，值得重視并去研究改善。這些缺點表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.2.1 結(jié)合系統(tǒng)存在問題。超聲波金屬焊接技術(shù)在焊接過程中，要實現(xiàn)多種協(xié)作系統(tǒng)的相互配合，形成一個緊密結(jié)合的整體系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、聲學系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。若整個系統(tǒng)的配合度和協(xié)調(diào)度不一致，就會導致系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可操作性以及可靠性方面存在一定的問題。

1.2.2 焊機制造困難且對其機理認識不足。由于超聲波金屬焊接技術(shù)能夠焊接密度大、厚度高的金屬以及異種金屬，所以對于實現(xiàn)這種技術(shù)的焊機的制造要求較高。相對于傳統(tǒng)焊機而言，超聲波金屬焊機的制造過程更加困難且成本較高，并且由于影響焊接工藝參數(shù)的因素較多，不易于對焊機機理的認識和總結(jié)。

1.2.3 “開敞性”較差且易出高頻振動。超聲波金屬焊機的“開敞性”比較差，其伸入尺寸被嚴格限定在焊接所允許的范圍內(nèi)，并且其接頭形式仍然只限于搭接接頭，還沒有在技術(shù)上取得進一步的突破。同時，超聲波金屬焊機在焊接過程中的焊點容易出現(xiàn)高頻振動，可能致使成品工件的邊緣受損，尤其是硬而脆的材料。

1.2.4 檢測困難。對于目前超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展情況來說，對焊接成品質(zhì)量的檢測還是很難做到的，與其相配套的檢測設備還沒有普及，而適用于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的檢測方法又無法適用于新技術(shù)。檢測技術(shù)跟不上就為大批量的生產(chǎn)制造了一定的困難。

2 超聲波金屬焊接國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超聲波金屬焊接技術(shù)在國外的發(fā)展與國內(nèi)相比較快且更為全面，國外的研究重點在試驗與模擬研究兩個方面，而國內(nèi)的研究多集中在超聲波點焊的試驗研究方面。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

首先，在滾焊焊接工藝參數(shù)范圍方面，英國拉夫堡大學Kong 等人做出了突出貢獻，得出可以有效提高焊接線性密度的方法，并且通過大量試驗得出埋入合金纖維和光學纖維的最佳處理參數(shù)。其次，在測量超聲波焊接過程的溫度方面，美國俄亥俄州立大學的De Vries通過鋁合金薄片材料的試驗得出，焊接工藝參數(shù)條件與金屬熔點有關(guān)，而Gunduz等人研究了鋁與鋅在高溫條件下的焊接情況，發(fā)現(xiàn)材料空穴聚集與材料擴散率正相關(guān)。最后，在超聲波金屬線焊接的結(jié)合強度的影響因素方面，國外科學家也進行了大量實驗研究，證實了超聲波固接技術(shù)是制造多種材料結(jié)構(gòu)的有效方法。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

首先，在超聲波焊接機理方面，華南理工大學機械工程學院的楊圣文和湯勇做出了重要貢獻，他們通過SEM圖來觀察銅片與銅管的超聲波焊接，并得出結(jié)論：超聲波金屬焊接過程是一種包括金屬鍵合和機械嵌合等作用的物理冶金過程。其次，在超聲波焊接性能的影響因素方面，江蘇大學材料科學與工程學院的張春來和王粒粒通過研究表面狀態(tài)、焊接材料厚度對超聲波焊接性能的影響，得出以下結(jié)論：表面狀態(tài)的影響較小，焊接材料厚度與焊接區(qū)域溫度升高成反比；華南理工大學機械工程學院的張銥洪和馬傳藝通過研究推導出了焊接區(qū)域的理論溫度。最后，在焊接性能的模擬分析方面，香港科技大學Yong Ding等人得出焊接區(qū)域的應力應變分布，并詳細分析了實際焊接情況和摩擦能量與焊點強度之間的關(guān)系。以上學者的研究雖然對超聲波金屬焊接技術(shù)在我國的發(fā)展做出了貢獻，但是研究中也存在著些許不足之處，這就需要今后的研究者去不斷地彌補和改善。

3 超聲波金屬焊接發(fā)展趨勢分析

超聲波金屬焊接技術(shù)在我國發(fā)展較為緩慢并且起步較晚，尚沒有大規(guī)模應用到實際生產(chǎn)工作當中，而且有關(guān)學者和技術(shù)人員對其研究多局限在簡單的修補工作上，并沒有對這項技術(shù)的深入發(fā)展提供切實可行的理論基礎和技術(shù)條件。因此，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國還有很大的發(fā)展空間。目前，已經(jīng)有越來越多的學者和研究人員致力于這種技術(shù)的探討，具體需要加強的工作有以下幾個方面。

第一，大功率換能器技術(shù)。該項技術(shù)的發(fā)展將直接推動超聲波金屬焊接技術(shù)的發(fā)展，因為超聲波金屬焊接技術(shù)對功率的需求很大，所以設計和制造大功率轉(zhuǎn)換器是首先要完成的技術(shù)突破。第二，焊頭材料。如果焊頭材料不能滿足超聲波金屬焊機的工作水平，將會影響成品的質(zhì)量，所以開發(fā)出強韌性、高質(zhì)量、高壽命的焊頭材料已經(jīng)是迫在眉睫。第三，超聲波電源技術(shù)。超聲波金屬焊接技術(shù)對超聲波電源具有很高的要求，提升電源技術(shù)，就可以在一定程度上確保焊接成品的質(zhì)量。第四，超聲波焊接技術(shù)的推廣應用。在國內(nèi)，被大家普遍認可的是傳統(tǒng)焊接技術(shù)，對于超聲波金屬焊接技術(shù)的認識還比較少，但隨著我國在超聲波金屬焊接技術(shù)上的不斷突破，其必將應用于越來越多的領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，超聲波金屬焊接技術(shù)在我國的發(fā)展還不太全面，但它擁有著良好的應用前景，無論是在學術(shù)研究領(lǐng)域還是技術(shù)研究領(lǐng)域，這項技術(shù)都會獲得不斷的突破。今后，超聲波金屬焊接技術(shù)將在我國得到更好的發(fā)展，并為我國經(jīng)濟社會發(fā)展作出更大的貢獻。

參考文獻

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