超聲波焊接技術在工業品生產中的應用

在工業產品制作中,經常會用到一些工業材料,像塑料、金屬、木材等一些其他工業材料.在日常生活中我們經常會看到某件產品不只用一種材料來制作；我們也經常看到一件產品由多個部分組成、并且各部分之間還會產生空隙,這不僅會影響產品的質量,還會影響產品的美觀度.這就要求把它們彼此之間焊接起來.隨著技術的發展,人們對焊接技術的要求越來越高,目前傳統的焊接技術不但成本較高,而且焊接的質量不高,往往會產生細小的縫隙.因此人們希望運用新的焊接技術來提高產品的質量.

  1943年,在總結前人理論和實踐的基礎上,美國的Behl發明了超聲波焊接,從此推動了超聲波焊接技術的發展.由于超聲波焊接技術具有節能、無須裝配散煙散熱裝置、焊接時無須焊接附件、成本低、效率高、密封性好、易實現自動化生產等優點,超聲波焊接技術發展的越來越快.

1.超聲波焊接技術在工業產品中的應用現狀

　　像在航空航天、核能工業、電子工業等這樣一些精度要求很高的工業產品領域中,使用傳統的焊接技術很難達到技術要求,而且成本高、效率低.目前,超聲波焊接技術在各行各業都有廣泛的應用,像醫療機械、包裝、五金等行業；能焊接的產品也很多,像汽車零部件、光學鏡頭、U盤等.

2.超聲波焊接技術的原理和特點

　　超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波,因此能量大.超聲波焊接是利用超聲波頻率（超過20000赫茲）的機械振動能量,連接同種或異種金屬、半導體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法[1].超聲波作用于熱塑性的塑膠表面時,會產生每秒上萬次的高頻振動,這種達到一定振幅的高頻振動,通過上焊件把超聲波能量傳到焊區,又由于焊區即兩個焊接的交界面處聲阻比較大,因此會產生局部高溫.又由于塑料制品導熱性差,一時還不能及時散發出聚集的能量,因此能量就會聚集在焊區,致使兩個塑料的接觸面迅速熔化,加上一定的壓力后,就會使其融合成為一體.當超聲波停止作用后,讓壓力再持續幾秒鐘,使其凝固成型,這樣就形成一個堅固的分子鏈,從而達到焊接的目的.在對金屬進行超聲波焊接時,既不向工件輸送電流也不向工件施以高溫熱源,只是在靜壓力作用之下,將彈性振動能量轉變為工件界面間的摩擦功、形變能及有限的溫升,使得焊接區域的金屬原子被瞬間激活,兩相界面處的分子相互滲透,最終實現金屬焊件的固態連接.其焊接原理示意圖如圖1所示[2].

2.1超聲波焊接技術的優點

　　與傳統焊接技術相比較,超聲波焊接技術有如下優點：（1）焊接速度快、焊接精度高、焊接焊點強度高；（2）焊接范圍廣、穩定性好、被焊接后的工件變形很小；（3）焊接物表面清潔美觀、平整光滑；（4）焊接時,不需添加焊接劑,對被加工物不產生污染、不產生有害氣體,因此是一種環保的焊接方法；（5）焊接時,只需提供較小的動力即可進行焊接,耗能低；（6）操作簡單、成本低、效率高、密封性好.

超聲波焊接原理示意圖

2.2超聲波焊接技術的缺點

　　盡管超聲波焊接技術有很多的優點,但也存在不足之處,因此不得不加以重視.超聲波焊接技術有如下缺點：

（1）對超聲波焊接機理的認識還不夠全面；

（2）對金屬進行焊接時,焊件不能太厚；

（3）對超聲波焊接技術的影響因素比較多,不易進行把握分析和總結；

（4）制造一些大功率的超聲波焊接機成本高、而且比較困難；

（5）對焊接好后的工件進行焊接處質量檢測比較困難,因此給大批量生產帶來阻礙.

3.影響超聲波焊接質量的因素

　　雖然超聲波焊接技術有眾多優點,但其焊接質量與熔融量、材料的材質等因素有關,概括起來主要包括以下幾方面的因素,

圖2影響超聲波焊接質量的因素

 （1）焊接材料的材質：一般來說焊接質量與材料的物性和材料的改性有關.材料的物性包括材料的彈性模量、摩擦系數、熱導率、熔點等.物件的焊接質量與材料的彈性模量、摩擦系數、熱導率成正比,與其密度、熔點成反比.材料的改性指的是在適宜的工藝條件下加入一些填料以改善材料的原有性能,使其滿足客戶的使用要求.在適宜的工藝條件下加入一些性能相近的材料,可以提高焊接接頭強度.

（2）焊頭與焊件的接觸面：焊接面的清潔度、材料表面的粗糙度會影響焊件的焊接質量.增加材料的表面粗糙度可以提高焊接質量；焊接面的清潔度越高,焊接質量也越高.

（3）其他因素：超聲波焊接技術的工藝參數、焊接件的結構、連接形式、焊接時的熔融量、超聲波的功率等.為達到最佳的焊接效果,在產品研發階段,要對這些因素進行綜合考慮.