材料科學與工程學院 特種焊接技術 第五章超聲波焊接 金屬裁縫 人耳只能感覺到20 20000Hz頻率的聲波 高于20000Hz的聲波就是超聲波了 超聲波廣泛地應用在多種技術中 超聲波有兩個特點 一個是能量大 一個是沿直線傳播 它的應用就是按照這兩個特點展開的 超聲波焊是利用超聲頻率的機械振動能量和靜壓力的共同作用 對焊件接頭進行局部加熱和表面清理 然后施加壓力實現焊接的一種壓力焊方法 連接同種或異種金屬 半導體 金屬與金屬陶瓷的方法 焊接時 利用是在靜壓力作用下將彈性振動能轉變為工件間的摩擦功 形變能及有限升溫 接頭間冶金結合是在母材不熔化情況下實現的 屬于固態焊接 1超聲波焊原理及分類 一 超聲波焊接的原理 一 超聲波特性及焊接過程 金屬超聲波焊接時 既不向工件輸送電流 也不向工件引入高溫熱源 只是在靜壓力下將彈性振動能量轉變為工件間的摩擦功 形變能及隨后的溫升 接頭間的冶金結合是在母材不發生熔化的情況下實現的 因此屬于固態焊接 1 發生器2 換能器3 聚能器4 耦合桿5 上聲極6 焊件7 下聲級 A 振幅分布F 靜壓力V1 縱向振動方向V2 彎曲振動方向I 超聲波震蕩電流 超聲波焊原理圖 在進行超聲波焊接時 通常由高頻發生器產生16 60KHz的高頻電流 通過激磁線圈產生交變磁場 使鐵磁材料在交變磁場中發生長度的交變伸縮 磁致伸縮 超聲頻率的電磁能便轉換成為振動能 再由傳送器傳至聲極 同時通過聲極對工件加壓 平行于連接面的機械振動起著破碎和清除工件表面氧化膜的作用 并加速金屬的擴散和再結晶過程 適當選擇振蕩頻率 當發生器振蕩電流頻率與聲學系統的自振頻率一致時 產生共振 在配合適當壓力和焊接時間 即可獲得優質接頭 焊件變形率一般低于3 5 超聲波焊縫的形成過程主要由震動剪切力 靜壓力和接頭區的升溫三個因素所決定 超聲波焊接中能量轉換與傳遞過程 超聲波焊點區的渦流狀塑性流動層 超聲波焊的兩個階段第一階段預壓階段 由于上聲極超聲振動 使其與上焊件間產生摩擦而造成暫時連接 然后通過它們直接將超聲波傳到焊件接觸面上 使其產生劇烈摩擦 清除表面油污 氧化物等雜質 露出純凈的金屬表面 其振幅僅為幾十微米 此階段主要是摩擦過程 相對摩擦速度與摩擦焊相近 第二階段焊接階段 主要是應力應變階段 切應力方向每秒鐘將變化幾千次 造成摩擦 當焊件造成局部連接后 振動應力和應變將成為金屬間冶金結合的條件 即在結合面上產生聯生晶粒 出現再結晶 擴散 相變或金屬間結合等 局部溫度可達金屬熔點的35 50 超聲波焊接原理示意圖 二 超聲波焊接機理1 接觸塑性流動層內機械嵌合在大多數超聲波焊中出現 對連接強度起重要作用 在金屬與非金屬焊接時起主導作用 2 金屬原子間的鍵合接頭中常見的是顯微組織在界面消失 而連接部位存在大量被歪曲的晶粒 其晶粒大小與原始晶粒度無明顯差別 可認為是金屬鍵的結合 3 焊接過程中的金屬間物理冶金反應接頭中存在由于摩擦生熱而引起的冶金反應 如再結晶 擴散 相變及金屬化合物的形成等 是有爭議的問題 有人認為 焊接時間短 小于2s 再結晶 擴散 相變難以實現 4 也有人提出界面有微區熔化現象 二 超聲波焊的分類 一 根據超聲波彈性振動能量轉入焊件的方向不同分1 振動能量由切向轉入焊件表面使界面產生相對摩擦 圖a 適用于金屬材料的焊接 2 振動能量垂直于焊件表面方向轉入焊件 圖b 適于塑料的焊接 二 根據接頭形式分1 點焊按能量傳遞方式可分單側和雙側兩類 當振動能量值通過上聲極導入時為單側式點焊 分別由上下聲極導入為雙側式點焊 前者最常用 2 縫焊縫焊時超聲波通過旋轉運動的圓盤狀聲極傳輸給工件 形成具有密封性的連續焊縫 縫焊可以獲得密封的連續焊縫 通常工件被夾持在上 下焊盤之間 在特殊情況下可采用平板式下聲極 3 環焊用環焊方法可以一次形成封閉形焊縫 采用的是扭轉振動系統 焊接時焊盤扭轉 振動振幅相對于聲極軸線呈對稱線性分布 軸心區振幅為零 焊盤邊緣振幅最大 顯然環焊最適用于微電子器件的封裝工藝 有時環焊也用于對氣密要求特別高的直線焊縫場合 此時可采用部分重疊環焊方法 類似縫焊獲得連續直線焊縫 4 線焊線焊可以看成是點焊方法的延伸 利用線狀上聲極或將多個焊點疊合在一起 在一個焊接循環內形成一條直線焊縫 現已經可以通過線狀上聲極上次獲得150mm長的線狀焊縫 這種方法最適用于金屬箔片的線狀封口 2超聲波焊特點及應用 一 超聲波焊接的特點1 超聲波焊的優點1 可適用于多種組合材料的焊接 2 由于是固相焊接方法 不受冶金焊接性的約束 不會對半導體等材料引起高溫污染及損傷 微電子器件中 半導體硅片與金屬細絲 Au Ag Al Pt Ta 的精密焊接是超聲波焊接方法最重要和最成功的一個應用領域 3 適于焊接高熱導率及高電導率的材料 例如金 銀 銅 鋁等材料在電阻點焊中是比較難焊的 使用超聲波焊接 這些金屬成為最容易焊接的幾種材料 4 與電阻點焊相比 耗用功率僅為電阻點焊的5 左右 變形小于3 5 焊點強度及強度穩定性平均提高約15 20 5 對工件表面的清潔度要求不高 允許少量的氧化膜及油污等存在 甚至可以焊接帶漆及聚合物薄膜的金屬 根據這一特點 近年來發展了先膠后點焊的超聲波膠點焊方法 2 超聲波焊的缺點金屬超聲波焊的一個主要缺點是焊接需用功率隨工件厚度及硬度的提高呈指數劇增 因而只限用于絲 箔 片等薄件 此外 雖然近年來已發明了超聲波對焊方法 但絕大多數情況下超聲波焊只適用于搭接接頭 二 超聲波焊的應用 1 電子工業廣泛應用于微電子器件 集成電路元件 晶體管芯的焊接 1 在1mm2硅片上 有數百條25 50 m的Al或Au絲通過超聲波焊將焊點部位相互連接 2 鋰電池中金屬鋰片與不銹鋼底座之間的連接 以前是嵌合 質量不可靠 電阻大 超聲波焊質量可靠 生產率提高 2 電器制造超聲波膠點焊在中國制造的50萬千伏超高電壓變壓器屏蔽構件中獲得成功應用 3 新材料制備可在玻璃 陶瓷或硅片的熱噴涂表面上連接金屬箔及絲 也可實現超導材料之間及超導材料與導電材料之間的連接 鋁塑復合管的焊接 物理性能相差懸殊材料制成的雙金屬接頭等 如太陽能熱水器銅集板與銅管之間的焊接 4 航空 航天及核能工業宇宙飛船中的核電轉換裝置中 鋁與不銹鋼組件 導彈的接地線 衛星上的鈹窗等 5 封裝工業的包裝材料從軟箔小包裝到密封管殼等均可采用超聲波環焊 縫焊和線焊焊接密性封裝結構 3超聲波焊設備及工藝 根據焊件的接頭形式 超聲波焊機可分為點焊機 縫焊機 環焊機和線焊機等 主要由超聲波發生器 電 聲換能耦合器 聲學系統 加壓機構 焊接時間及加壓程序定是控制裝置等組成 一 超聲波焊設備 A 發生器B 聲學系統C 加壓機構D 控制裝置 1 發生器2 換能器3 聚能器4 耦合桿5 上聲極6 焊件7 下聲級8 電磁加壓裝置9 控制加壓電源10 程控器 1 超聲波發生器 是焊機的核心設備 它是一種具有超聲頻率的正弦電壓波的電源 實質是一個包括機械振動系統在內的單級或多級放大的自激振蕩器 作用是將工頻 50Hz 電流變成15 60Hz的震蕩電流 并通過輸出變壓器與換能器相耦合 2 聲學系統 超聲波的關鍵部件 是電聲耦合裝置 聲學系統 由換能器 聚能器 變幅桿 耦合桿 傳振桿和上下聲極 等組成 主要作用是傳輸彈性振動能給焊件 以實現焊接 聲學系統設計的關在于按照選定的頻率計算每個聲學組元的自振頻率 1 換能器將發生器的電震蕩能轉換成相同頻率的機械振動能 是焊機的機械振動源 有磁致伸縮式和壓電式兩種 磁致伸縮效應是當鐵磁材料置于交變磁場中 將會在材料的長度方向發生宏觀的同步伸縮變形現象 常用鎳片和鐵鋁合金 工作可靠 但換能效率僅為20 30 已被壓電式換能器所替代 壓電式是利用某些非金屬壓電晶體 如石英 鋯酸鉛 鋯鈦酸等 的逆壓電效應 當壓電材料在一定晶面上受到壓力或拉力時 會出現電荷 稱為正壓電效應 反正 當在壓電軸方向饋入交變電場時 晶體會沿一定方向發生同步收縮現象 稱逆壓電效應 效率高達80 90 但壽命短 2 聚能器 變幅桿 作用是將換能器所轉換的成的高頻彈性振動能量傳遞給焊件 還有使輸出振幅放大和集中能量的作用 焊接時振幅一般在5 40 m 而一般換能器小于此數值 所以必須放大 3 耦合桿用于改變振動形式 一般是將聚能器輸出的縱向振動改變成為彎曲振動 通常為圓柱形 氣自振頻率應根據耦合條件設計 4 聲極分上 下聲極 是超聲波焊機直接與焊件接觸的聲學部件 并與聚能器或耦合桿連接 上聲極可做成球面 下聲極用以支撐工件和所加壓力的反作用力 3 加壓機構 作用是向焊接部位施加靜壓力 目前主要有液壓 氣壓 電磁加壓和自重加壓等 加壓機構還包括焊件的夾持機構 4 程序控制器 利用計算機進行聲學反饋及自動程序控制 如超聲波點焊的預加壓時間 焊接時間 消除粘連時間 休止時間等 1 接頭設計 二 接頭設計及準備 由于焊接過程母材不發生熔化 焊點不受過大壓力 因此可自由設計點距 邊距和行距等參數 2 焊件表面準備 不需嚴格清理 因為振動對表面層有破碎清理作用 氧化嚴重和有銹層 仍需清理 3 上聲極選用 盡可能選用摩擦系數大以及具有足夠耐磨性的材料 目前焊鋁 銅等用高速鋼 軸承鋼 焊鈦 鋯 高強鋼等常采用沉淀強化型鎳基超級合金 1 焊接功率2 振動頻率3 振幅4 靜壓力5 焊接時間 三 焊接參數 4典型材料的超聲波焊 一 同種材料的超聲波焊 焊接金屬材料時 最常用的方法是點焊 易于實現同種金屬材料的可靠連接 焊接不同厚度的組合焊件時 超聲振動應從比較薄的焊件一方導入 焊接參數也是根據薄焊件的厚度來確定 一 同種金屬材料的焊接 可實現鋁及鋁合金焊接 銅及銅合金的焊接 鈦及鈦合金的焊接 高熔點材料的焊接 二 塑料的超聲波焊 塑料焊接時 通常盡量將焊件的結合面置于諧振曲線的波節點上 以便在這里釋放出最高的局部熱量 以使材料受熱熔化達到焊接的目的 塑料焊接面預加工設計 塑料超聲波焊的原理是焊接面在超聲波能量作用下進行高頻機械振動而加熱融化 同時施加焊接壓力 1 焊接效率高 焊接時間不超過1s 2 焊前焊件表面可不處理 由于殘存在塑料零件上的水 油 粉末 溶液等不會影響正常焊接 因而特別適用于各類物品的封裝焊 3 焊接過程僅在焊合面上發生局部熔化 因而可避免污染工作環境 而且焊點美觀 不產生混濁物 可獲得全透明的焊接成品 焊接結晶性塑料和軟質塑料時 需要在離振頭較近的近場區焊接 焊接模塑件 薄膜 板材和線材等 不需加熱或添加任何溶劑和粘結劑 塑料超聲波焊接面預加工有一些特殊要求 在焊接面上 常設計帶有尖邊的超聲波導能筋 塑料超聲波焊接的優點 對于不同