超聲波焊參數選擇

文章出處：深圳中工高周超聲設備有限公司發表時間：2014/10/1 21:32:16【大中小】

  超聲波焊的主要參數有振動頻率θ、振幅A、靜壓力F及焊接時間t，此外還應考慮超聲波功率的選擇以及各參數之間的相互影響。在超聲波焊接中，點焊應用得最普遍，下面以點焊為例討論各參數對焊接質量的影響。
1、超聲波振動頻率θ
  振動頻率主要是指諧振頻率的數值和諧振頻率精度。振動頻率一般在15～75kHz之間。頻率的選擇應考慮被焊材料的物理性能和厚度，焊件較薄的選用比較高的振動頻率；焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強度較低時選用較低的振動頻率。這是由于在維持聲功能不變的前提下，提高振動頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應力引起的疲勞破壞。
  振動頻度對焊點抗剪強度有影響，如圖14所示，材料越硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在聲學系統中的損耗將增大，因此大功率超聲波點焊機的頻率比較低，一般在15～20kHz范圍內。振動頻率的精度是保證焊點質量穩定的重要因素，由于超聲波焊接過程中機械負荷的多變性，會出現隨機的失諧現象，造成焊接質量不穩定。
2、振幅A
  振幅是超聲波焊接工藝中基本的參數之一，它決定著摩擦功率的大小，關系到焊接面氧化膜的去除、接合面的摩擦產熱、塑性變形區域的大小及塑性流動層的狀況等。因此，根據被焊材料的性質及其厚度正確選擇振幅的數值是獲得高可靠接頭的前提。振幅的選用范圍一般為5～25μm，小功率超聲波焊機一般具有高的振動頻率，但振幅范圍較低。低硬度的焊接材料或較薄的焊件應選用較低的振幅；隨著材料硬度及厚度的提高，所選用的振幅也應相應提高。這是因為振幅的大小對應著焊件接觸表面相對移動速度的大小，而焊接區的溫度、塑性流動以及摩擦功的大小又由該相對移動速度所確定。
  對于具體的焊件，存在一個合適的振幅范圍。圖15為鋁鎂合金在不同振幅值下焊點強度的試驗結果。當振幅A為17μm時，焊點抗剪強度最大，振幅減小，強度隨之降低。當振幅小于6μm時，已經不能形成接頭，即使增加振動作用的時間也無效果。這是因為振幅值過小，焊件間相對移動速度過小所致。當振幅值超過17μm時，焊點強度反而下降，這主要與金屬材料內部及表面的疲勞破壞有關，因此振幅過大，由上聲極傳遞到焊件的振動剪力超過了它們之間的摩擦力，聲極與工件之間發生相對的滑動摩擦，并產生大量的熱和塑性變形，導致上聲極嵌入焊件，使有效接合截面減少所致。
  超聲波焊機的換能器材料和聚能器結構決定了焊機振幅的大小，當它們確定以后，要改變振幅，一般是通過調節起聲波發生器的電參數來實現。此外，振幅值的選擇與其他參數有關，應綜合考慮。必須指出，在合適的振幅范圍內，采用偏大的振幅可大大縮短焊接時間，提高焊接生產效率。
3、靜壓力F
  靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件，超聲波焊接時所需靜壓力的大小根據材料類型的不同而異。當靜壓力過低時，由于超聲波幾乎沒有被傳遞到焊件，不足以在兩焊件界面產生一定的摩擦功，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動方面，因此不可能形成有效的連接。隨著靜壓力的增加，改善了振動的傳遞條件，使焊區溫度升高，材料的變形抗力下降，塑性流動的程度逐漸加劇；另外，由于壓應力的增加，接觸處塑性變形的面積及連接面積增加，因而接頭的強度增加。當靜壓力達到一定數值后再增加壓力，接頭強度不再提高或反而下降。這是因為當靜壓力過大時，振動能量不能合理地利用，使摩擦力過大，造成焊件間的相對摩擦運動減弱，甚至會使振幅值有所降低，導致了焊件間的連接面積不再增加或有所減小，加之材料壓潰造成接頭的實際接合截面減少，使焊點強度降低。
  在其他焊接條件不變的情況下，選用偏高的靜壓力，可以在較短的焊接時間內得到同樣強度的焊點，這是因為偏高的靜壓力能在振動早期較低的溫度下產生塑性變形所致。同時，選用偏高的靜壓力，能在較短的時間內達到最高的溫度，縮短了焊接時間。
4、焊接時間t
  焊接時間對接頭質量有很大影響，焊接時間太短時，表面的氧化膜來不及被破壞，只形成幾個凸點間的接觸，則接頭強度過低，甚至不能形成接頭。隨著焊接時間的延長，焊點強度迅速提高，在一定的焊接時間內強度值不降低。但當超聲波焊接時間超過一定值以后，焊點強度反而下降，這是由于焊件的熱輸入量過大，塑性區擴大，上聲極陷入焊件，除了降低焊點的截面積以外，還容易引起焊點表面和內部產生裂紋。對于不同的靜壓力，獲得接頭最佳強度所需的焊接時間不同，增大靜壓力的數值，可在某種程度上縮短焊接時間。
5、焊接功率P
  超聲波焊接時，功率的選擇主要取決于焊件的厚度和材料的硬度，由于在實際應用中超聲波功率的測量尚有困難，因此常常用振幅來表示功率的大小，超聲波功率與振幅的關系可由下式確定：
P＝μSFυ＝μSF2Aω/π＝4μSFAθ
公式中
P——超聲波功率；
F——靜壓力；
S——焊點面積；
υ——相對速度；
A——振幅；
μ——摩擦系數；
ω——角頻率（ω＝2πθ）；
θ——振動頻率。
超聲波焊接時，振幅的選取范圍為5～25μm，當換能器材料、結構及其功率選定后，振幅值大小還與聚能器的放大系數有關。
  通常在確定上述各種焊接參數的相互影響時，可以通過繪制臨界曲線的方法來達到，即為靜壓力與功率的臨界關系曲線。一般選用最小可用功率時的靜壓力和比最小可用功率稍高一點的功率值進行實際焊接。上述幾個焊接參數之間并不是孤立的，而是相互影響、相互關聯，應統籌考慮。例如，塑料的超聲波焊接時，接頭質量的好壞取決于換能器的振幅、靜壓力及焊接時間等因素的相互配合。焊接時間t和焊頭靜壓力F是可以調節的，振幅由換能器和變幅桿決定，這三個量相互有最佳選擇值。焊接能量超過合適值時，材料的熔解量大，產生較大的變形。若焊接能量太小，則不易焊牢。
  除了焊接參數以外，上聲極材料、形狀尺寸及其表面狀態等因素也對焊接質量有影響。

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