超声波焊接的研究与展望

陈怀防 等

摘要：超声波焊接的节能、环保、操作方便等突出优点，越来越受到人们的重视。超声波焊接已广泛应用在众多领域。本文简单介绍了超声波焊接的基本原理。概述了超声波焊接的国内发展现状，并对超声波焊接的发展做了展望。

关键词：超声波 焊接 研究现状

0 引言

1950年美国人发明了超声波焊接技术，该技术作为特种连接技术，在工业生产中得到广泛应用。另外，超声波焊接技术还广泛应用于电子工业、电器制造、新材料的装备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术等方面。超声波焊接的优点主要表现为：节能、环保、操作方便，这种技术对我国建设资源节约型、环境友好型的社会起着很大的促进作用。

1 超声波焊接原理及特点[1]

超声波焊接作为一种特殊焊接方法，通常情况下是指利用超声波频率（大于16KHZ）的机械振动能量，将同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等进行连接。通过超声波对金属进行焊接时，一方面不需要向工件输送电流，另一方面没有将高温热源引入工件，在焊接过程中，在静压力的作用下，将弹性震动能量转变为工件间的摩擦功、形变能，以及有限的温升等。在母材不发生熔化的情况下，实现接头间的冶金结合，因此，超声波焊接属于固态焊接。

工频电流在超声波发生器的作用下，进一步转变为超声波频率（15～16KHZ）d的振荡电流。通过磁致收缩效应，换能器将电磁能转换成弹性机械振动能。放大器的作用是对振幅进行放大，同时借助耦合杆和上声极与并工件进行耦合。如果换能器、放大器、耦合杆和上声极的自振频率相互一致，在这种情况下，系统将会产生谐振，从而将弹性振动能传递给静压力F的工件。两种薄材工件通过此种能量之间的转换被粘接在一起。

2 国内研究现状

2.1 超声波金属焊接的研究现状

崔岩[2]研究超声波焊在坦克铝件焊修中的应用，对铝及铝合金的焊接性进行了详尽的分析，认为保证焊点质量稳定的重要因素是谐振频率的精度。在超声波焊接过程中，由于机械负荷是多变的，失谐现象会随机出现，进而使得焊点质量不稳定。根据超声波焊的特点，制订相应的焊接规范。大量实验证明：通过超声波对铝及铝合金进行焊接，金属表面致密的氧化膜可以有效地去除，进而保证了焊接质量。

华南理工大学杨圣文等人[3]推导了铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接接头区域理论区域温度公式，并利用人工热电偶法测得焊接区域温度，分析了实测温度偏差产生的原因，结合焊接接头的扫描电镜（SEW）图片进行对比分析，研究了铜片-铜管超声波焊接接头的形成机理。结果表明：超声波焊接是基于接头区域微齿顶端处高温、纯净金属发生塑性变形后表面充分贴合两个因素基础上的金属键合和机械嵌合而形成接头的物理冶金过程。

南京航空航天大学机电学院的张秋峰[4]研究了1Cr18Ni9Ti与TC4异种金属的固态扩散焊接工艺，在现有的基础上采用超声波加载固态扩散焊的工艺。金相试验分析结果表明：采用超声波加载扩散焊接工艺，使不锈钢和钛形成了良好的连接。

哈尔滨工业大学的闫久春、孙小磊[5]等，在敞开环境下研究了一种适合复杂结构，并且能够进行可靠连接的“超声波振动辅助钎焊技术”原理，同时对铝基复合材料、铝合金、陶瓷/铝、玻璃/铝焊接的初步试验结果进行了描述。焊接结果表明：在钎焊过程中，通过施加适当的超声波振动，母材表面氧化膜可以有效地去除，进一步促进了母材与钎料的润湿。在低温、大气环境下，获得了具备微观组织结构和力学性能良好的连接接头。

南昌大学的朱政强等人[6]用电子背散射衍射（EBSD）方法来研究超声波焊接下铝合金AA6061的微观组织变化，从微观角度里加深对超声波金属焊接的理解。通过实验，得到原始铝箔和焊接后铝箔的品粒取向差分布图。通过分析品粒取向、晶粒结构和晶界特征了解超声波焊接对铝合金组织和结构的影响。

2.2 超声波非金属焊接的研究现状

郭毓峰[7]对12μm聚对笨二甲酸乙二醇酯（PET）/30μm聚乙烯（PE）薄膜超声波焊接工艺进行了研究，发现焊接振幅在2-10μm，對焊接接头热合强度的影响不大；在焊接振幅4-7μm出现了焊接接头的热合强度最大值。焊接接头的热合强度随着焊接时间的延长和焊接压力的增大表现出先增大后减小的变化规律。通过对不同工艺参数下焊接区域的结晶程度进行分析，其结果显示，接头的结晶程度影响着PET/PE薄膜焊接接头热合强度，焊接区域试样的结晶程度随着焊接时间、焊接振幅、焊接压力增加先减小后增大，焊接接头的热合强度先升高后降低。

赵钢[8]等人研究超声波焊接在汽车传感器封装中的应用。讲述了通过对材料、焊接方法的选择和焊口及工装设计与制造过程设计，来实现汽车传感器封装的方法。

赵仕彬[9]研究了超声波焊接在连接器中的应用。简明扼要地介绍了超声波焊接的原理，结合面的设计方法、设计要点，以及在连接器中的具体应用和使用范围。

西北工业大学的聂中明[10]研究了高电阻CdZnTe半导体（简称CZT）接触电极与引线的超声波焊接。认为：CZT晶片经机械抛光表面处理后，通过离子溅射法制备的金电极与外引线间具有较高的超声波焊合率，能获得最佳焊点质量的电极厚度为180nm。此外，确定CZT接触电极制备工艺后，楔入压力成为影响CZT接触电极与引线超声波焊接质量的主要因素，焊接功率则为次要因素。

3 总结

目前，对超声波金属的焊接机理认识不足，超声金属焊接作为一种固相焊接方法，或者说是金属间的“键合”过程，在焊接过程中，是否无金属熔化还有待进一步研究。还有在材料焊接中应用超声波，虽然焊接效果比较好，但是对于由超声波发生器、声学系统与机械系统相结合的整个系统来说，在稳定性、可操作性、可靠性等方面依然存在问题，所以声学系统的设计，以及声学系统与试件之间的连接方式等都非常重要。另外，从微观力学的角度研究超声波振动对晶粒和织构的影响也是未来研究的重要方向。

参考文献：

[1]李小明，李彦生，韩景芸.基于超声波焊接技术的快速成型方法研究[J].机床与液压，2007，35（3）：4-6.

[2]崔岩.超声波焊在坦克铝件维修中的应用[J].工业技术经济，2000，19（3）：114-116.

[3]杨圣文，吴泽群，陈平池.铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接试验研究[J].焊接，2005（9）：32-35.

[4]张秋峰.钛与不锈钢的超声波扩散焊接[J].机械工程与自动化，2008（1）：125-127.

[5]闫久春，孙小磊.超声波振动辅助钎焊技术[J].焊接，2009（3）：6-12.

[6]朱政强，马国红，E.Ghassemieh.铝合金AA6061超声波焊接下组织演变分析[A].第七届中国机器人焊接学术与技术交流会议文集[C]，2008：107-110.

[7]郭毓峰.聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超声波焊接[J].宇航材料工艺，2010（4）：53-55.

[8]赵钢，曹智，董双辉.超声波焊接在汽车传感器封装中的应用[J].沈阳航空工业学院学报，2007（4）：25-28.

[9]赵仕彬.超声波焊接在连接器中的应用[J].机电元件，2006（4）：36-39.

[10]聂中明，傅莉，任洁，查钢强.CdZnTe接触电极与引线的超声波焊接[J].中国有色金属学报，2009，19（5）：919-923.