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超声波焊接工艺你了解多少?赶快收藏吧!

返回列表 来源:本站 浏览:85 发布日期:2018-12-07

   超声波焊接的焊点,应有高的接合强度和合格的表面质量,除了表面不能有明显的挤压坑和焊点边缘的凸出以外,还应注意与上声极接触处的焊点表面情况,不允许有裂纹和局部未熔合,因此,超声波焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。

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  一、超声波焊接特点

  1) 可焊接的材料范围广,可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料(如金、银、铜、铝等)和一些难熔金属的焊接,也可用于性能相差悬殊的异种金属材料(如导热、硬度、熔点等)、金属与非金属、塑料等材料的焊接,还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。

  2) 焊件不通电,不需要外加热源,接头中不出现宏观的气孔等缺陷,不生成脆性金属间化合物,不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。

  3) 焊缝金属的物理和力学性能不发生宏观变化,其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高,且稳定性好。

  4) 被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小,焊前对焊件表面准备工作比较简单。

  5) 形成接头所需电能少,仅为电阻焊的5%;焊件变形小。

  6) 不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂,具有操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊接的主要缺点是受现有设备功率的限制,因而与上声极接触的焊件厚度不能太厚,接头形式只能采用搭接接头,对接接头还无法应用。

  二、超声波焊接的分类

  超声波焊接分类按照超声波弹性振动能 量传入焊件的方向,超声波焊接的基本类型可以分为两类:一类是振动能 量由切向传递到焊件表面而使焊接界面产生相对摩擦,这种方法适用于金属材料的焊接;另一类是振动能 量由垂直于焊件表面的方向传入焊件,主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊;近年来,双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。

  (1)点焊 点焊是应用较广的一种焊接形式,根据振动能 量的传递方式,可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统。功率500W以下的小功率焊机多采用轻型结构的纵向振动;千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统;而轻型弯曲振动系统适用于中小功率焊机,它兼有上述两种振动系统的优点。

  (2)环焊 环焊方法如图5所示,主要用于一次成形的封闭形焊缝,能 量传递采用的是扭转振动系统。焊接时,耦合杆4带动上声极5作扭转振动,振幅相对于声极轴线呈对称分布,轴心区振幅为零,边缘位置振幅大。该类焊接方法适合于微电子器件的封装工艺,有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合,用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的面积较大,需要有较大的功率输入,因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。

  (3)缝焊 与电阻焊中的缝焊类似,超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式(图6)。其中常见的是纵向振动形式,只是滚轮的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝,通常焊件被夹持在上下滚轮之间,在特殊情况下可采用平板式下声极。

  (4)线焊 它是点焊方法的一种延伸,利用线状上声极,在一个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝,声极长度就是焊缝的长度,现在可以达到150mm,这种方法适用于金属薄箔的封口。

  (5)双超声波振动系统的点焊:上下两个振动系统的频率分别为27kHz和20kHz(或15kHz),上下振动系统的振动方向相互垂直,焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为3kW时,可焊铝件的厚度达10mm,焊点强度达到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接,虽然焊接方法与点焊基本相同,但焊接设备复杂,要求设备的控制精度高,以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。

  (6)超声波对焊 超声波对焊主要用于金属的对接,是近年来开发的一种新方法。焊接设备由上、下振动系统、提供接触压力的液压源和焊件夹持装置等部分组成。左边焊件的一端由夹具固定,另一端夹在上、下振动系统之间作超声振动;右焊件端面与左端面对接,并由夹具夹紧,接触压力加在右侧焊件上。焊接时,在超声振动的作用下即可把两个焊件在端面焊接在一起。应注意,焊接装置的上、下振动系统的振动相位须相反,上振动系统可以是无源的。采用频率为27kHz的该类焊接装置可以焊接6~10mm厚的铝板、6mm厚的铜板和铝板的焊接。目前可以实现6mm厚、100~400mm宽铝板的对接。

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  三、超声波焊接头设计

  1. 焊点设计超声波焊接时,要求焊点强度须达到一定的要求,需要设计出一种合理的焊点结构,同时还要保持外形尽可能美观。焊点分布如图10所示,对焊点与板材边缘的距离没有限制,可以沿边缘布置焊点,焊点之间的距离可以任意选定,可以重叠和重复焊接(修补),每行之间的距离也可以根据需要任选,不存在电阻点焊时的分流问题。

  2. 焊接界面设计为了在焊接过程中使能 量集中,缩短焊接时间,提高焊接质量,焊接界面的设计非常重要,主要有以下几种形式。(2)台阶式界面 为了提高焊接力,可设计成图12所示的台阶式焊接界面(W为板宽),三角形凸缘可以使凸缘材料熔化之后流入预留的孔隙,能产生较大的切应力及拉力强度,这种设计还可以避免外表面上产生的焊接痕迹。(3)凹凸插接式界面,待焊材料设计成带有三角形凸缘的凹凸形式,两焊件之间应留有间隙,凸形焊件壁应有一定的斜度,以便塑料件容易拼合,同时让熔融的材料有流动的空间,不致溢出外面。在超声波焊的接头设计中应注意控制焊件的谐振问题。当上声极向焊件引入超声振动时,如果焊件沿振动方向的自振频率与引入的超声振动频率相等或相近,就有可能引起焊件的谐振,其结果往往造成已焊焊点的脱落,严重时可导致焊件的疲劳断裂。解决上述问题的简单方法就是改变焊件与声学系统振动方向的相对位置,或者改变焊件的自振频率。


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