超声波金属焊接工作原理是什么？

更新时间:01-04-2021

摘要:

金属焊接通过高频率振动波传递到需要焊接的两个金属表面，在加压的情况下，使得两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间 […]

金属焊接通过高频率振动波传递到需要焊接的两个金属表面，在加压的情况下，使得两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的渗合，以及表面材料塑性流动形成优良结合面。金属焊接比其他焊接更快速、节能、强度高、本身导电性好。它的工作原理是怎么样的，下面和大家具体讲一下。

2.1 电能转换成机械能

超声波发生器将工业用电(220V或者380V)转化成高频高压交流电(例如20Khz，上千仸电压)，传输到换能器经过内部的压电陶瓷片转换为机械振动，即超声波振动。

超声波振动经过焊头(Horn)焊嘴处传递到工件上，在垂直焊接压力作用下，在焊缝界面处形成金属连接(Metal bonding)。

2.2 摩擦生热

要完成超声金属焊接，需要在焊缝界面处产生摩擦生成热量。摩擦生热需要以下3个基本条件：

持续的振动能量(Energy)

激活材料原子活性的振幅(Amplitude)

挤压工件产生塑性变形所需要的力(Force)。

2.3 金属再结晶

焊缝界面处的高温是多少？

界面金属表面产生哪些变化？

超声波金属焊接的本质是什么？

超声波金属焊接本质上是金属再结晶过程。这里不介绍金属键构造和金属再结晶的理论，来直观的理解这一过程。

Step1 当金属材料相互接触时，在界面处发生局部接触。

Step2 在垂直焊接压力下和横向超声高频振动下，金属界面开始相互摩擦。

Step3 局部接触点、氧化膜和镀层被破坏和分散，界面处形成干净的金属表面。

Step4 界面处进一步产生塑性变形和蠕变，金属相互无限接近产生金属分子间引力，在固态(低于母材熔点)下进行焊接。

以上是焊接中界面处的微观过程。其发生在母材熔点的1/3左右的温度下，高频摩擦和高温使得接触面金属键被破坏产生金属离子和自由电子，而随着超声能量的逐步减弱，金属离子和自由电子逐步结合形成新的金属键完成再结晶过程。

这里涉及到金属再结晶形成固态金属键的3个条件，也很好的解释为什么超声可以用于金属焊接。

金属键的高速运动（超声高频振荡）

金属键的破坏的温度（高频摩擦产生热能）

金属原子与自由电子的吸引力（适当的外界压力）

下图是超声金属焊接后的电子显微和连接原理图，可以看到在焊缝界面处，铜和铍铜原子共享电子形成金属连接。

2.4 再结晶温度和材料要求

一般认为，再结晶温度=(0.3~0.5)Tm。其中Tm-金属熔点。

图5 常见金属再结晶温度

超声波金属焊接对金属材料有特殊要求：金属材料必须具备一定的延展性和一定的纯度。有色金属是超声波焊接的最理想材料，例如金、银、铜、铝和镍。下图是超声金属焊接的不同金属的相容性。

3. 超声波金属焊接特性

焊接的温度不到材料的熔点（减小热量对材料的影响）

不需要填充材料

导电性远优于熔焊和钎焊

可清洁焊接表面的氧化层或油污

对健康无损害

焊接质量能被控制

焊接时无电流通过焊接工件

能量消耗小（仅为电阻焊的1/10)

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