金社會(huì) 郭大為

（1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué)理院，遼寧 大連 116028）

一、研究目的及背景

隨著國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)生活需求的提高對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的安全性、環(huán)保型、節(jié)約性等方面提出了更高的要求，本文主要研究的就是關(guān)于超聲加熱一體焊槍的研究與應(yīng)用。傳統(tǒng)焊接中氬弧焊熱影響范圍較大，產(chǎn)品在焊接或修補(bǔ)后常常會(huì)出現(xiàn)砂眼、結(jié)合力不夠?qū)е麻_裂變形等缺點(diǎn)；鎢極氬弧焊熔敷速度小導(dǎo)致生產(chǎn)效率較為低下；MIG焊采用惰性氣體，成本較為昂貴；CO2焊會(huì)導(dǎo)致金屬飛濺情況，同時(shí)抗縫能力弱；埋弧焊不適合薄板和短縫隙的焊接，對(duì)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量較高；電阻焊缺少可靠的檢驗(yàn)方法，同時(shí)焊接點(diǎn)和縫時(shí)必須裝配新的接頭，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件重量增加。焊接方法在鋁合金構(gòu)件加工制造中占有至關(guān)重要的地位。然而，鋁合金的焊接接頭中存在很多缺陷，這些缺陷嚴(yán)重限制了鋁合金焊接件在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。焊接鋁合金的方法有很多，其中TIG焊接鋁合金有適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便和成本低等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用范圍，但是其也存在熔深淺、焊接效率低等問題[1]。

目前日本有超聲與加熱一體的超聲焊槍，國內(nèi)科研院所中從事光電器件研究、鈣鈦礦等新能源研究、半導(dǎo)體研究等領(lǐng)域都有進(jìn)口該工藝焊槍，使用非常方便，焊接效果良好，同時(shí)突破了很多傳統(tǒng)焊接所不能焊接的領(lǐng)域。國家焊接實(shí)驗(yàn)室目前在衛(wèi)星及導(dǎo)彈視窗領(lǐng)域的焊接還是將加熱與超聲分體使用，操作不便，超聲與加熱一體的焊槍還沒有。

超聲焊接不僅僅可以不用助焊劑從而保護(hù)焊接使用者的健康，而且超聲焊接提高了焊接品質(zhì)，同時(shí)超聲焊接可以焊接多種材料，如陶瓷、玻璃、斤、銀、鋁、銅、鋅等。超聲焊接是超聲與加熱協(xié)同作用，它的焊接非常靈活、使用的場(chǎng)合很多，不僅僅是電子器件的焊接，同時(shí)它可以在珠寶領(lǐng)域使用，例如金鑲玉；在光電領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域運(yùn)用也很廣，ITOFTO上的匯流條焊接就改變了傳統(tǒng)的銀漿法的窘境，同時(shí)它也在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，例如石英體與鈦合金的焊接是兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)作用，一個(gè)加熱一個(gè)超聲，多么不方便??！本項(xiàng)目研究的超聲和加熱一體機(jī)，它使用方便、靈巧、超聲強(qiáng)度和溫度可控，如此這般超聲焊槍的研究意義就太大了，不僅是彌補(bǔ)國內(nèi)空白，更重要的是能夠推進(jìn)這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)在國內(nèi)的使用，最終提高焊接產(chǎn)品品質(zhì)、推動(dòng)生產(chǎn)方式的革新。

二、超聲焊槍技術(shù)路線及可行性研究

（一）超聲焊接技術(shù)路線

通過查詢國內(nèi)外的技術(shù)資料，并結(jié)合實(shí)物調(diào)研成果，做好技術(shù)儲(chǔ)備的前提下，按照以下四個(gè)模塊分別展開研究，最終將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐：

1.超聲電源的研究。

2.超聲焊槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.焊槍頭部的加熱部件研究。

4.機(jī)械頻率與電控頻率的響應(yīng)研究。

（二）超聲焊槍可行性分析

已經(jīng)了解到國外的超聲焊槍在科研院所的光電研究及精細(xì)化工領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，效果良好。目前日本有超聲與加熱一體的超聲焊槍，國內(nèi)科研院所中從事光電器件研究、鈣鈦礦等新能源研究、半導(dǎo)體研究等領(lǐng)域都有進(jìn)口該工藝焊槍，使用非常方便，焊接效果良好，同時(shí)突破了很多傳統(tǒng)焊接所不能焊接的領(lǐng)域。

三、超聲焊接的特點(diǎn)

1.通過超聲波去除焊料和被焊母材表面油污和氧化物，保障金屬表面達(dá)到完美的清潔度。

2.增大焊接面積，降低被焊接材質(zhì)表面張力。

3.無須任何助焊劑，不會(huì)出現(xiàn)有害氣體，保護(hù)焊接工作者的人身健康。在傳統(tǒng)的電子加工行業(yè)里，一線的焊接工人日常工作在煙霧繚繞中，松香油助焊劑在加熱過程中產(chǎn)生有毒氣體，長此以往，員工的身體健康受到傷害。

4.焊后免清洗，杜絕使用助焊劑焊接后，電氣絕緣性能下降和短路等問題。傳統(tǒng)的焊接工藝，焊接結(jié)束后，會(huì)對(duì)焊件表面進(jìn)行清洗，清洗掉表面的助焊劑等雜質(zhì)，而清洗劑都是具有弱酸堿腐蝕性，清洗結(jié)束后雖然用去離子水清洗，但是不能徹底去除有害物質(zhì)，長期來看，其孔隙腐蝕性最會(huì)引發(fā)電器性能的失效。

5.焊接區(qū)內(nèi)部無氣泡和針孔的產(chǎn)生，去除虛焊、假焊，提高焊接品質(zhì)，保障良品率并減少焊接時(shí)間提高工作效率；傳統(tǒng)單純的加熱焊接，針孔、虛焊等缺陷不可避免。

6.焊區(qū)平整美觀，焊點(diǎn)強(qiáng)度高，不易老化，無內(nèi)外壓應(yīng)力，杜絕焊接時(shí)表面的再次氧化現(xiàn)象發(fā)生。

7.可實(shí)現(xiàn)兩種不同材料的低溫焊接（不同金屬或非金屬之間，如銅、鋁、不銹鋼、玻璃、陶瓷、硅晶體等）。

8.穩(wěn)定度高，回溫快，具有節(jié)電功能，可節(jié)省焊接材料；超聲波的能量加速了焊接完成，同時(shí)焊接加熱的溫度會(huì)降低。

9.焊接區(qū)密封性及釬焊性優(yōu)秀，超聲波的微觀高頻攪拌作用將焊材的組織結(jié)構(gòu)更加緊密、結(jié)合性更佳。

四、超聲焊接的創(chuàng)新

通過文獻(xiàn)和實(shí)踐了解掌握超聲波焊接的機(jī)理及其實(shí)踐效果。首先需要確認(rèn)焊接的機(jī)理，其中濕潤性對(duì)焊接性能的重要意義需要確認(rèn)，同時(shí)確認(rèn)超聲波在焊接過程中通過高頻振動(dòng)活化焊件表層，從而起到潤濕性的作用。其次研究超聲波通過融化焊劑對(duì)于待焊接表面實(shí)現(xiàn)清潔作用。超聲波可以消除傳統(tǒng)焊接過程中產(chǎn)生的針眼和虛焊，確認(rèn)超聲空化機(jī)理在消除針眼和虛焊中的作用。研究超聲焊接在玻璃、陶瓷等非金屬之間的焊接，以及金屬間的焊接、金屬與非金屬間的焊件效果。

（一）超聲焊接特色創(chuàng)新點(diǎn)概述

1.無助焊劑，不產(chǎn)生有害氣體。

2.超聲活化、清洗焊件表面，增強(qiáng)其表面潤濕性，

3.消除應(yīng)力、針孔、虛焊等焊接缺陷。

（二）超聲焊接的效果

1.可焊接玻璃、陶瓷鋁和銅等，避免氧化膜。

2.提高生產(chǎn)效率，沒有假焊和虛焊。

3.使用超聲波，不使用助焊劑，免清洗，避免有毒氣體出現(xiàn)。

4.便攜性，安裝簡便和攜帶方便。

5.溫度可調(diào)，超聲波能量大小可調(diào)，操作安全，方便。

6.焊接區(qū)密封性及釬焊性優(yōu)，電器性能優(yōu)良。在基于AI技術(shù)的軌道交通大數(shù)據(jù)資源池中，增加人臉識(shí)別系統(tǒng)，通過人體畫像直接識(shí)別用戶身份，及時(shí)響應(yīng)提供給乘客具體乘車軌跡，為乘客提供實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃，提升乘客出行體驗(yàn)度。

（三）超聲焊接設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過查找文獻(xiàn)來驗(yàn)證超聲焊接的有力證據(jù)[2]，確定其對(duì)于焊接四要素的有力支撐，潤濕性、活化基表、空化消穴、應(yīng)力消解對(duì)于焊接來說是重要的，毋庸置疑。通過前往使用現(xiàn)場(chǎng)與科研院所的使用者做深入的實(shí)踐探討，確認(rèn)實(shí)物的焊接特性研究、如連接力的大小測(cè)試、界面侵蝕性驗(yàn)證、焊接探傷判斷針孔的存在比率等手段，最終得出超聲焊接的工藝特質(zhì)。制作出超聲與加熱一體的超聲焊槍，拿到了玻璃焊接的實(shí)證，如圖1所示：

五、超聲加熱一體焊槍的應(yīng)用

超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面,在加壓的情況下,使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，超聲波焊是一種固相連接技術(shù)，在電子、電器、新材料（玻璃、陶瓷和硅片）以及塑料等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。超聲波焊接是熱塑性 材料和熱塑性復(fù)合材料熔接的常用方法。該焊接方法通過在焊件施加低振幅（10 ～ 250）高頻率機(jī)械振動(dòng)來完成焊接。超聲波焊接經(jīng)常用 來焊接由于復(fù)雜或價(jià)格較高而不能整體成型的部件[3]。本文中研究的超聲波加熱一體焊槍可用于特殊行業(yè),如太陽能電池匯流條的焊接,超導(dǎo)性材料的高精度焊接，陶瓷零件以及其他各種傳統(tǒng)焊槍不能操作的地方。

1.薄膜太陽能電池、硅晶體太陽能電池的焊接。

2.高精密傳感器（激光、圖像、聲吶、紅外熱交換器）二、三極管、放大器等半導(dǎo)體元件的產(chǎn)品封裝。

3.超導(dǎo)材料的高精度焊接。

4.玻璃、陶瓷硅晶體器件（LED、液晶顯示器，顯像管、芯片等）等普通電烙鐵無法焊接的地方。

5.衛(wèi)星的鋁基碳化硅材料基座的補(bǔ)焊。

6.導(dǎo)彈藍(lán)寶石視窗的焊接。

7.柔性基底銀絲膜的鋪展焊接。

總結(jié)

本文所涉及的超聲焊接不僅僅可以不用助焊劑從而保護(hù)焊接使用者的健康，而且超聲焊接提高了焊接品質(zhì)，同時(shí)過去很多不能用傳統(tǒng)加熱焊接的工件可以完成焊接了，并且其強(qiáng)度和壽命得到了保障。