特種焊接技術(shù)第五章超聲波焊接ppt課件.ppt

材料科學(xué)與工程學(xué)院 特種焊接技術(shù) 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(yīng)用在多種技術(shù)中 超聲波有兩個(gè)特點(diǎn) 一個(gè)是能量大 一個(gè)是沿直線傳播 它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開的 超聲波焊是利用超聲頻率的機(jī)械振動能量和靜壓力的共同作用 對焊件接頭進(jìn)行局部加熱和表面清理 然后施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接的一種壓力焊方法 連接同種或異種金屬 半導(dǎo)體 金屬與金屬陶瓷的方法 焊接時(shí) 利用是在靜壓力作用下將彈性振動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功 形變能及有限升溫 接頭間冶金結(jié)合是在母材不熔化情況下實(shí)現(xiàn)的 屬于固態(tài)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(shí) 既不向工件輸送電流 也不向工件引入高溫?zé)嵩?只是在靜壓力下將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功 形變能及隨后的溫升 接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的 因此屬于固態(tài)焊接 1 發(fā)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(jìn)行超聲波焊接時(shí) 通常由高頻發(fā)生器產(chǎn)生16 60KHz的高頻電流 通過激磁線圈產(chǎn)生交變磁場 使鐵磁材料在交變磁場中發(fā)生長度的交變伸縮 磁致伸縮 超聲頻率的電磁能便轉(zhuǎn)換成為振動能 再由傳送器傳至聲極 同時(shí)通過聲極對工件加壓 平行于連接面的機(jī)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(kuò)散和再結(jié)晶過程 適當(dāng)選擇振蕩頻率 當(dāng)發(fā)生器振蕩電流頻率與聲學(xué)系統(tǒng)的自振頻率一致時(shí) 產(chǎn)生共振 在配合適當(dāng)壓力和焊接時(shí)間 即可獲得優(yōu)質(zhì)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(qū)的升溫三個(gè)因素所決定 超聲波焊接中能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程 超聲波焊點(diǎn)區(qū)的渦流狀塑性流動層 超聲波焊的兩個(gè)階段第一階段預(yù)壓階段 由于上聲極超聲振動 使其與上焊件間產(chǎn)生摩擦而造成暫時(shí)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(chǎn)生劇烈摩擦 清除表面油污 氧化物等雜質(zhì) 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(yīng)力應(yīng)變階段 切應(yīng)力方向每秒鐘將變化幾千次 造成摩擦 當(dāng)焊件造成局部連接后 振動應(yīng)力和應(yīng)變將成為金屬間冶金結(jié)合的條件 即在結(jié)合面上產(chǎn)生聯(lián)生晶粒 出現(xiàn)再結(jié)晶 擴(kuò)散 相變或金屬間結(jié)合等 局部溫度可達(dá)金屬熔點(diǎn)的35 50 超聲波焊接原理示意圖 二 超聲波焊接機(jī)理1 接觸塑性流動層內(nèi)機(jī)械嵌合在大多數(shù)超聲波焊中出現(xiàn) 對連接強(qiáng)度起重要作用 在金屬與非金屬焊接時(shí)起主導(dǎo)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(rèn)為是金屬鍵的結(jié)合 3 焊接過程中的金屬間物理冶金反應(yīng)接頭中存在由于摩擦生熱而引起的冶金反應(yīng) 如再結(jié)晶 擴(kuò)散 相變及金屬化合物的形成等 是有爭議的問題 有人認(rèn)為 焊接時(shí)間短 小于2s 再結(jié)晶 擴(kuò)散 相變難以實(shí)現(xiàn) 4 也有人提出界面有微區(qū)熔化現(xiàn)象 二 超聲波焊的分類 一 根據(jù)超聲波彈性振動能量轉(zhuǎn)入焊件的方向不同分1 振動能量由切向轉(zhuǎn)入焊件表面使界面產(chǎn)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(zhuǎn)入焊件 圖b 適于塑料的焊接 二 根據(jù)接頭形式分1 點(diǎn)焊按能量傳遞方式可分單側(cè)和雙側(cè)兩類 當(dāng)振動能量值通過上聲極導(dǎo)入時(shí)為單側(cè)式點(diǎn)焊 分別由上下聲極導(dǎo)入為雙側(cè)式點(diǎn)焊 前者最常用 2 縫焊縫焊時(shí)超聲波通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的圓盤狀聲極傳輸給工件 形成具有密封性的連續(xù)焊縫 縫焊可以獲得密封的連續(xù)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(huán)焊用環(huán)焊方法可以一次形成封閉形焊縫 采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng) 焊接時(shí)焊盤扭轉(zhuǎn) 振動振幅相對于聲極軸線呈對稱線性分布 軸心區(qū)振幅為零 焊盤邊緣振幅最大 顯然環(huán)焊最適用于微電子器件的封裝工藝 有時(shí)環(huán)焊也用于對氣密要求特別高的直線焊縫場合 此時(shí)可采用部分重疊環(huán)焊方法 類似縫焊獲得連續(xù)直線焊縫 4 線焊線焊可以看成是點(diǎn)焊方法的延伸 利用線狀上聲極或?qū)⒍鄠€(gè)焊點(diǎn)疊合在一起 在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)形成一條直線焊縫 現(xiàn)已經(jīng)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(diǎn)及應(yīng)用 一 超聲波焊接的特點(diǎn)1 超聲波焊的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)體等材料引起高溫污染及損傷 微電子器件中 半導(dǎo)體硅片與金屬細(xì)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 3 適于焊接高熱導(dǎo)率及高電導(dǎo)率的材料 例如金 銀 銅 鋁等材料在電阻點(diǎn)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(diǎn)焊相比 耗用功率僅為電阻點(diǎn)焊的5 左右 變形小于3 5 焊點(diǎn)強(qiáng)度及強(qiáng)度穩(wěn)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(jù)這一特點(diǎn) 近年來發(fā)展了先膠后點(diǎn)焊的超聲波膠點(diǎn)焊方法 2 超聲波焊的缺點(diǎn)金屬超聲波焊的一個(gè)主要缺點(diǎn)是焊接需用功率隨工件厚度及硬度的提高呈指數(shù)劇增 因而只限用于絲 箔 片等薄件 此外 雖然近年來已發(fā)明了超聲波對焊方法 但絕大多數(shù)情況下超聲波焊只適用于搭接接頭 二 超聲波焊的應(yīng)用 1 電子工業(yè)廣泛應(yīng)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(shù)百條25 50 m的Al或Au絲通過超聲波焊將焊點(diǎn)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(zhì)量不可靠 電阻大 超聲波焊質(zhì)量可靠 生產(chǎn)率提高 2 電器制造超聲波膠點(diǎn)焊在中國制造的50萬千伏超高電壓變壓器屏蔽構(gòu)件中獲得成功應(yīng)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(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料之間及超導(dǎo)材料與導(dǎo)電材料之間的連接 鋁塑復(fù)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(yè)宇宙飛船中的核電轉(zhuǎn)換裝置中 鋁與不銹鋼組件 導(dǎo)彈的接地線 衛(wèi)星上的鈹窗等 5 封裝工業(yè)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(huán)焊 縫焊和線焊焊接密性封裝結(jié)構(gòu) 3超聲波焊設(shè)備及工藝 根據(jù)焊件的接頭形式 超聲波焊機(jī)可分為點(diǎn)焊機(jī) 縫焊機(jī) 環(huán)焊機(jī)和線焊機(jī)等 主要由超聲波發(fā)生器 電 聲換能耦合器 聲學(xué)系統(tǒng) 加壓機(jī)構(gòu) 焊接時(shí)間及加壓程序定是控制裝置等組成 一 超聲波焊設(shè)備 A 發(fā)生器B 聲學(xué)系統(tǒng)C 加壓機(jī)構(gòu)D 控制裝置 1 發(fā)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(fā)生器 是焊機(jī)的核心設(shè)備 它是一種具有超聲頻率的正弦電壓波的電源 實(shí)質(zhì)是一個(gè)包括機(jī)械振動系統(tǒng)在內(nèi)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(xué)系統(tǒng) 超聲波的關(guān)鍵部件 是電聲耦合裝置 聲學(xué)系統(tǒng) 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(shí)現(xiàn)焊接 聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)在于按照選定的頻率計(jì)算每個(gè)聲學(xué)組元的自振頻率 1 換能器將發(fā)生器的電震蕩能轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械振動能 是焊機(jī)的機(jī)械振動源 有磁致伸縮式和壓電式兩種 磁致伸縮效應(yīng)是當(dāng)鐵磁材料置于交變磁場中 將會在材料的長度方向發(fā)生宏觀的同步伸縮變形現(xiàn)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(yīng) 當(dāng)壓電材料在一定晶面上受到壓力或拉力時(shí) 會出現(xiàn)電荷 稱為正壓電效應(yīng) 反正 當(dāng)在壓電軸方向饋入交變電場時(shí) 晶體會沿一定方向發(fā)生同步收縮現(xiàn)象 稱逆壓電效應(yīng) 效率高達(dá)80 90 但壽命短 2 聚能器 變幅桿 作用是將換能器所轉(zhuǎn)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(shí)振幅一般在5 40 m 而一般換能器小于此數(shù)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(yīng)根據(jù)耦合條件設(shè)計(jì) 4 聲極分上 下聲極 是超聲波焊機(jī)直接與焊件接觸的聲學(xué)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(jī)構(gòu) 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(jī)構(gòu)還包括焊件的夾持機(jī)構(gòu) 4 程序控制器 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行聲學(xué)反饋及自動程序控制 如超聲波點(diǎn)焊的預(yù)加壓時(shí)間 焊接時(shí)間 消除粘連時(shí)間 休止時(shí)間等 1 接頭設(shè)計(jì) 二 接頭設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備 由于焊接過程母材不發(fā)生熔化 焊點(diǎn)不受過大壓力 因此可自由設(shè)計(jì)點(diǎn)距 邊距和行距等參數(shù) 2 焊件表面準(zhǔn)備 不需嚴(yán)格清理 因?yàn)檎駝訉Ρ砻鎸佑衅扑榍謇碜饔?氧化嚴(yán)重和有銹層 仍需清理 3 上聲極選用 盡可能選用摩擦系數(shù)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(qiáng)鋼等常采用沉淀強(qiáng)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(shí)間 三 焊接參數(shù) 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(shí) 最常用的方法是點(diǎn)焊 易于實(shí)現(xiàn)同種金屬材料的可靠連接 焊接不同厚度的組合焊件時(shí) 超聲振動應(yīng)從比較薄的焊件一方導(dǎo)入 焊接參數(shù)也是根據(jù)薄焊件的厚度來確定 一 同種金屬材料的焊接 可實(shí)現(xiàn)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(diǎn)材料的焊接 二 塑料的超聲波焊 塑料焊接時(shí) 通常盡量將焊件的結(jié)合面置于諧振曲線的波節(jié)點(diǎn)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(dá)到焊接的目的 塑料焊接面預(yù)加工設(shè)計(jì) 塑料超聲波焊的原理是焊接面在超聲波能量作用下進(jìn)行高頻機(jī)械振動而加熱融化 同時(shí)施加焊接壓力 1 焊接效率高 焊接時(shí)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(fā)生局部熔化 因而可避免污染工作環(huán)境 而且焊點(diǎn)美觀 不產(chǎn)生混濁物 可獲得全透明的焊接成品 焊接結(jié)晶性塑料和軟質(zhì)塑料時(shí) 需要在離振頭較近的近場區(qū)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(jié)劑 塑料超聲波焊接面預(yù)加工有一些特殊要求 在焊接面上 常設(shè)計(jì)帶有尖邊的超聲波導(dǎo)能筋 塑料超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn) 對于不同