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超声波焊接技术浅谈
发布日期:2015-12-25     浏览数:1250次
                                                         引 言

    超声波焊接是众多焊接种类中的一种。其主要是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面,在加压的情况下,使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。它的应用非常广泛,既可以用于塑料焊接,又可以用于金属焊接。其应用前景非常好,可以用于多个行业。

                                                 超声波焊接概述
     超声波焊接是通过超声波发生器将50赫兹电流转换成15KHz、20KHz、30KHz或40KHz电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动,随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部,在该区域,振动能量被通过摩擦方式转换成热能,将塑料或金属熔化,普通超声波焊接机结构如图1所示。

                                         

    一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器,换能器/变幅杆/焊头三联组,模具和机架。
波在物体里传播,主要有以下的参数:一是速度V,二是频率F,三是波长λ。三者之间的关系:V=F.λ。波在同一种物质中传播的速度是一定的,所以频率不同,波长也就不同。另外,还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减,传播的距离越远,能量衰减也就越厉害,这在超声波加工中也属于考虑范围。
超声波焊接的方式主要有两种,一种是线性振动,一种是轨道式振动。
线性振动摩擦焊接利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能来使塑料或金属熔化。热能来自一定压力下,一个工件在另一个表面以一定的位移或振幅往复的移动。一旦达到预期的焊接程度,振动就会停止,同时仍旧会有一定的压力施加于两个工件上,使刚刚焊接好的部分冷却、固化,从而形成紧密地结合。
轨道式振动摩擦焊接是一种利用摩擦热能焊接的方法。在进行轨道式振动摩擦焊接时,上部的工件以固定的速度进行轨道运动——向各个方向的圆周运动。运动可以产生热能,使两个塑料或金属件的焊接部分达到熔点。一旦塑料或金属开始熔化,运动就停止,两个工件的焊接部分将凝固并牢牢的连接在一起。

                                                           超声波焊接技术实例分析
超声波塑料焊接
    超声波作用于热塑性的塑料接触面时,会产生每秒几万次的高频振动,这种达到一定振幅的高频振动,通过上焊件把超声能量传送到焊区,由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大,因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差,一时还不能及时散发,聚集在焊区,致使两个塑料的接触面迅速熔化,加上一定压力后,使其融合成一体。当超声波停止作用后,让压力持续几秒钟,使其凝固成型,这样就形成一个坚固的分子链,达到焊接的目的,焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅,所加压力及焊接时间等三个因素,焊接时间和焊头压力是可以调节的,振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值,能量超过适宜值时,塑料的熔解量就大,焊接物易变形;若能量小,则不易焊牢,所加的压力也不能太大。
    典型的如汽车行业里PC转向灯以及PMMA反射器的外罩和壳体的连接,目前用的最多的就是超声波塑料焊接技术,如图2所示。

                                

                                               超声波金属焊接原理
    超声波金属焊接原理是利用超声频率(超过16KHz)的机械振动能量,连接同种金属或异种金属的一种特殊方法.金属在进行超声波焊接时,既不向工件输送电流,也不向工件施以高温热源,只是在静压力之下,将框框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升.接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接.因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象.超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接.可广泛应用于可控硅引线、电器引线,芯片引线焊接。
典型的如集成芯片行业里引线的焊接,芯片的封装结构示意图如图3所示。图中引线焊接到晶片上以及导线架应用最多的就是超声波焊接技术。图4为某一芯片内部金线焊接的X光射线照片。可以利用高纯度的金线(Au),铜线(Cu)或铝线(Al)把Pad和Lead通过焊接的方法连接起来。Pad是芯片上电路的外接点,Lead是LeadFrame上的连接点。W/B是芯片封装工艺中最为关键的一部工艺。

 

                                         

                                  

图5所示为芯片引线焊接前和焊接后的图片

                                                

                                                超声波焊接的优点
    以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下,使二块塑胶的接合面产生摩擦热而瞬间熔融接合,焊接强度可与本体媲美,采用合适的工件和合理的接口设计,可达到水密及气密,并免除采用辅助品所带来的不便,实现高效清洁的熔接。
可用于化纤织物的切割封口,其优点切口光洁不开裂、不拉丝。
超声波塑料焊接优点:焊接速度快,焊接强度高、密封性好;取代传统的焊接/粘接工艺,成本低廉,清洁无污染且不会损伤工件;焊接过程稳定,所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控,一旦发现故障很容易进行排除和维护。
超声波金属焊接优点:焊接材料不熔融,不脆弱金属特性。焊接后导电性好,电阻系数极低或近乎零。对焊接金属表面要求低,氧化或电镀均可焊接。焊接时间短,不需任何助焊剂、气体、焊料。焊接无火花,环保安全。
    超声波焊接技术应用的行业主要有汽车行业家电行业玩具业行业以及电子行业。在汽车行业超音波可通过计算机程序控制来实施对大件和不规则工件的焊接如:保险杠、前后门、灯具、刹车灯等。随着高等级道路的发展,反光片也越来越多的采用超音波焊接。在家电行业,通过适当的调整可用于日光灯罩,蒸气熨门、电视机外壳、收录音机透明面板、电源整流器、电视机壳螺丝固定座、洗衣机脱水槽等需要密封、牢固和美观的家电产品。在玩具业,由于采用了超音波技术使产品清洁、高效、牢固,免除使用螺丝、粘合剂、胶水或其他辅助品,降低了生产成本,使企业在市场的竞争力大大增强。在电子,运用自动化方案设计使用户达到规模化生产,同时确保产品之品质需求。总之,超声波焊接技术是一门非常有用的技术,应用前景非常广泛。

                                                           结束语
    超声波焊接技术目前仍然需要完善的方面主要有,一是研究焊接区域的状态,包括熔融区的结晶度,化学成分;二是需要完善焊机质量监控检测的手段,尤其是实时监控质量的方法,少一点破坏性分析方法,多一点无损检测的方法;三是研究新的导能机构和连接层新材料,扩大超声波焊接技术的应用范围;四是建立焊接设备,焊接参数和采用材料对应关系规律。在超声波焊接领域内还有许多需要完善和改进的地方,从事该技术的研究大有可为。

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