超声波焊接结构设计48页PPT

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2．铜及铜合金的焊接
铜及铜合金的焊接性好，焊前需要对表面进行清洗，去除油污，焊接参数和设备选择与铝合金相似。
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3．钛及钛合金的焊接
钛及钛合金具有很好的焊接性，焊接参数选择范围比较宽。焊点经显微组织分析发现，有时产生α→β的相变，也有未经相变的焊点组织，但均能获得满意的接头强度。
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6.3.1 同种材料的超声波焊
一、同种金属材料的焊接 二、塑料的超声波焊
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一、同种金属材料的焊接
1．铝及铝合金的焊接 2．铜及铜合金的焊接 3．钛及钛合金的焊接 4．高熔点材料的焊接
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1．铝及铝合金的焊接
铝及铝合金是应用超声波焊最多，也是最能显示出这种焊接方法优越性的材料。 对于较低强度的铝合金，超声波点焊和电阻点焊或缝焊的接头强度大致相同。 超声波焊接铝及铝合金的表面准备要求比其他任何一种焊接方法都低。正常情况下，铝的表面一般进行脱脂处理。
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4．高熔点材料的焊接
对于金属钼、钨等高熔点的材料，由于超声波焊可避免接头区的加热脆化现象，从而可获得高强度的焊点质量。 高硬度金属材料之间的超声波焊接、或焊接性较差的金属材料之间的焊接，可通过添加中间过渡层的方法实现超声波焊接。 对于多层金属结构，也可以采用超声波焊。
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会计学
1
特种焊接技术超声波焊
6.1 超声波焊概述
6.1.1 超声波焊基本原理6.1.2 超声波焊的种类6.1.3 超声波的特点及应用
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6.1.1 超声波焊基本原理
一、基本原理 二、接头形成过程
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( 0.5 )
0.37
0.4
45 °
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.40
0.03
( 0.30 )
0.17
0.20
超声焊接结构
阶梯型
Energy Director with Opposing Textured Surface
0.13～0.29 0.m 150 μm
M5 9.5 6.3 7.1 6.4 M6 12.7 7.9 8.7 8.0 M8 12.7 9.5 10.2 9.6
超声嵌插尺寸
Metric thread
M3
Length of bushing in
mm
5.5
M4
7.5
M5
9.0
Diameter In mm
D1
D2
4.0
4.7
5.2
6.15
6.4
焊接结构
1.超声焊接结构
焊接筋的角度
120 °
90 °
60 °
45 °
超声焊接结构
基本型
Basic Energy Director
W
W
4
8
W
64
W
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
1.5
0.05
( 0.5 )
0.5
0.5
60 °
超声焊接结构
阶梯型
Chisel Edge
W+ 8
Insertion
金属螺钉
塑件
超声嵌插尺寸
Metric thread
M3
M4
Length of bushing in

•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，Байду номын сангаас可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
超声波焊接工艺
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利

检测方法
超声波频率：影响焊接 效果，需选择合适的频
率
焊接时间：影响焊接效 果，需控制焊接时间
焊接温度：影响焊接效 果，需控制焊接温度
环境因素：影响焊接效 果，需控制环境因素
焊接设备：影响焊接效 果，需选择高质量的设
备
07
超声波焊接技术的发展趋势与展望
超声波焊接技术的国内外研究现状
国内研究现状：超声波焊 接技术在国内得到了广泛 应用，主要集中在汽车、 电子、医疗等领域。
超声波发生器：产生高频超 声波
工件：需要焊接的工件
冷却系统：冷却焊头和工件， 防止过热损坏
控制系统：控制超声波发生 器、换能器、焊头等部件的
工作状态
超声波焊接设备的分类
按照功率分类：大功率、中功率、小功率 按照频率分类：低频、中频、高频 按照结构分类：单头、双头、多头 按照用途分类：通用型、专用型、特殊型
培训与教育：对操作人员 进行培训，提高焊接质量 意识和技能水平
超声波焊接质量影响因素及改进措施
超声波功率：影响焊接 强度，需调整至最佳功
率
焊接压力：影响焊接质 量，需调整至最佳压力
焊接材料：影响焊接效 果，需选择合适的材料
操作人员技能：影响焊 接质量，需提高操作人
员技能
质量检测方法：影响焊 接质量，需选择合适的
汇报人：PPT
超声波焊接的应用范围
电子行业：如电路板、电子元器件 等
汽车行业：如汽车零部件、内饰件 等
医疗行业：如医疗器械、医疗耗材 等
食品行业：如食品包装、食品容器 等
航空航天：如航天器零部件、航空 器零部件等
纺织行业：如纺织品、服装等
03
超声波焊接设备
超声波焊接设备的组成

振动焊接结构
外侧无溢料
振动焊接结构
２mm壁厚５mm凸 沿,焊接２.４mm宽 １.５mm高
振动焊接结构
较小的厚度 包括凸沿的结构
振动焊接结构
典型应用 用于较薄容器 盖子的焊接
振动焊接结构
典型应用 用于较薄且有 压力容器盖子 的焊接
振动焊接结构
无凸沿产品的 焊接，常用于 ABS
振动焊接结构
用于高压力产品
（如储液容器）
振动焊接结构
典型应用 有凸沿，高压力 容器焊接
振动焊接结构
典型设计 避免在焊接过程 中产品产生晃动
振动焊接结构
典型焊接 把一个工件放入 另一工件内，在 一个焊接周期内 同时焊接
振动焊接结构
典型焊接 不同材料（金属过滤网） 在一起，使之熔为一体
低矮型
Low Profile Stake
Horn
D/2
0.6 D
1.5 D
0.25 D
Before
After
D = Stud diameter
超声铆接结构
半圆型铆接
Dome Stake
0.5 D
2.1 D
2D 0.5 D
Before
After
D = Stud diameter
超声铆接结构
( 0.5 )
0.37
0.4
45 °
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.40
0.03
( 0.30 )
0.17
0.20
超声焊接结构
阶梯型
Energy Director with Opposing Textured Surface

2
§1 超声波焊原理及分类
一超声波焊接的原理
（一）超声波特性及焊接过程
金属超声波焊接时，
既不向工件输送电流，也
不向工件引入高温热源，
只是在静压力下将弹性振
动能量转变为工件间的摩
擦功、形变能及随后的温
升。接头间的冶金结合是
超声波焊原理图
在母材不发生熔化的情况 1-发生器 2-换能器 3-聚能器
下实现的。因此属于固态 焊接。
1、接触塑性流动层内机械嵌合 在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要 作用，在金属与非金属焊接时起主导作用。
2、金属原子间的键合 接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接 部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶 粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。
3、焊接过程中的金属间物理冶金反应 接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应， 如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是 有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小于2s） 再结晶、扩散、相变难以实现。
率一般低于3~5％。
超声波焊缝的形成过程主要由震动剪切力、静 压力和接头区的升温三个因素所决定。
4
超声波焊接中能量转换与传递过程
电网 ~
50kHz
超声波 60~80kHz 发生器 电磁振荡
磁致伸缩 换能器
焊件
60~80kHz 机械振动
空气-传播超 16~80kHz. 声波声能 机械振动
上声极 改变方向
材料科学与工程学院
特种焊接技术
第五章 超声波焊接
1
人耳只能感觉到20～20000Hz 频率的声波，高
于 20000Hz的声波就是超声波了。超声波广泛地应 用在多种技术中，超声波有两个特点，一个是能量 大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个 特点展开的。

焊接质量。
无损பைடு நூலகம்测
利用超声波、X射线等技术对 焊缝进行无损检测，以发现内
部缺陷。
破坏性检测
通过切割、拉伸等试验，对焊 缝进行破坏性检测，以评估其
力学性能。
焊接质量控制措施
选用合适的焊接参数
根据材料厚度、焊接方式等因 素，选择合适的功率、时间和
压力等参数。
控制材料质量
确保材料表面清洁、无杂质， 符合焊接要求。
超声波气动部分
超声波气动部分包括气源、气路控制系 统和气动元件等，它为超声波焊接提供 气压动力，实现焊头的上下振动和工件
的夹紧。
超声波气动部分的气压、流量和稳定性 对焊接效果有很大影响，因此选择合适 的气动元件和控制方式是实现高效、高
质量超声波焊接的重要环节。
常见的气动元件包括气缸、电磁阀、调 压阀等，可根据实际需求选择适合的元
缝焊
通过在两个金属板材之间施加超声波能量，使接触面熔化，并在压 力作用下形成连续的焊缝。
对焊
将两个金属板材的对接端施加超声波能量，使其熔化后结合在一起， 形成对接接头。
焊接结构设计要点
材料选择
根据焊接工艺要求和产品性能需求，选择适合的金属材料。
焊接面设计
确保焊接面平整、无杂质，以实现良好的接触和熔合。
超声波焊接原理
热作用
超声波在固体材料中传 播时，通过摩擦产生热 量，使接触面材料熔化。
压力作用
在焊接过程中，施加适 当的压力使熔融材料紧
密结合。
声流作用
冶金结合
超声波传播时在材料中 产生的声流能促进材料
流动和结合。
通过热作用、压力作用 和声流作用的综合效应， 实现材料的永久性连接。
02 超声波焊接设备

图11-2 超声波焊点区的涡 流状塑性流动层
2.接头组织特征
(1)机械嵌合 超声波焊接接头中常见到两焊件接触处构成塑性流动层，并呈 现犬牙交错的机械嵌合，这种接合对衔接强度起到有利的作用，但并不是金 属的衔接，在金属与非金属之间的超声波焊接时，这种机械嵌协作用占主导 位置。 (2)金属原子间的键合 在超声波焊接接头中，焊接界面之间存在大量被歪扭 的晶粒，这些晶粒是跨越界面的“公共晶粒〞，其尺寸与母材金属的晶粒无 明显差别，接头不存在明显的界面，两资料之间经过金属原子的键合而连在 一同。 (3)金属间的物理冶金 超声波焊接中还存在着由于摩擦生热所引起的再结晶、 分散、相变以及金属间化合物构成等冶金过程。 (4)界面微区的熔化景象 超声波焊接时，微区焊接温度很难准确丈量，不能 排除微区中出现部分熔化景象。
2.声学系统
(1)换能器 换能器的作用是将超声波发生器的电磁振荡(电磁能)转变成一样 频率的机械振动(机械能)，它是焊机的机械振动源。 (2)传振杆 超声波焊接的传振杆是与压电式换能器配套的声学器件，普通由4 5钢、３０ＣｒＭｎＳｉ低合金或超硬铝合金制成，主要是用来调整输出负载、 固定系统及方便实践运用。 (3)聚能器 聚能器又称变幅杆，其作用是将换能器所转换成的高频弹性振动 能量传送给焊件，以便调理换能器和负载的参数。 (4)耦合杆 耦合杆用于振动能量的传输及耦合，将聚能器输出的纵向振动改 动为弯曲振动。 (5)声极 声极是直接与焊件接触的部件，分为上声极和下声极。
1.超声波焊接特点 2.超声波焊接分类
11.2.1 工艺特点
1.超声波焊接特点
1)可焊接的资料范围广，可用于同种金属资料、特别是高导电、高导热性的 资料(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 异种金属资料(如导热、硬度、熔点等)、金属与非金属、塑料等资料的焊接， 还可以实现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊构造的焊接。 2)焊件不通电，不需求外加热源，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)被焊金属外表氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件外表预备任 务比较简单。 5)构成接头所需电能少，仅为电阻焊的5%；焊件变形小。 6)不需求添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊接速度快、接头 强度高、消费效率高等优点。

为了实现多材料、多工艺的复合焊接，需要深入研究不同材料之间的相互作用和兼容性，掌握各种材料的物理和化学特性， 优化焊接工艺参数，提高焊接质量和效率。同时，还需要研发适用于复合焊接的超声波焊接设备，提高设备的适应性和可靠性。
智能化、自动化的焊接设备与工艺
随着工业4.0和智能制造的推进，智能化、自动化的焊接设备与工艺成为未来超声波焊接的发展趋势。 通过引入人工智能、机器学习等技术，可以实现焊接过程的自动化和智能化控制，提高焊接质量和效 率。
为了实现智能化、自动化的焊接，需要深入研究焊接过程的物理和化学机制，建立完善的焊接数据库 和知识库，开发高效的算法和模型，提高设备的智能化和自主化程度。同时，还需要加强与自动化、 计算机科学等领域的交叉合作，推动超声波焊接技术的创新发展。
感谢观 看
THANKS
表面处理不当
焊接前对材料表面进行清洁和预处理， 去除油污、氧化膜等，可以提高焊接 强度。
材料不匹配
不同材料的声阻抗差异可能导致能量 传递效率降低，影响焊接强度。解决 方法是选择声阻抗相匹配的材料或采 用特殊的超声波焊接参数。
焊接参数不当
调整合适的焊接时间、压力和功率等 参数，以达到最佳的焊接效果。
焊接变形的问题
超声波焊接结构设 计通用课件
目 录
• 超声波焊接结构设计中的挑战与 • 未来超声波焊接结构设计的发展
01
超声波焊接技术概述
超声波焊接的定义与原理
超声波焊接定义
振动传递
超声波焊接是一种利用高频振动能量 来实现塑料、金属等材料连接的工艺 方法。
焊头将振动能量传递至工件，使工件 产生摩擦热和塑性变形，从而实现工 件之间的连接。
03
超声波焊接结构设计实例
塑料焊接结构设计

❖ 超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前 50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能，供 应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动 能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的 焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种 声学装置！！ 振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使 塑胶熔化， 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止， 短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子 键， 整个周期通常是不到一秒种便完成，但是其焊接强 度却接近是一块连着的材料。
65
剪切型熔接面
❖ 剪切型熔接的熔接深度一般为1.25W(壁厚)最小为0.5W 最 大为1.75W，干涉量见下表
66
超声波熔接设计中应注意的问题
❖ 超声波熔接应避免以下的设计
67
超声波熔接设计中应注意的问题
焊头与工件的接触面积越大越好，如果小于熔接区域的面积，会 很容易导致表面伤痕。
68
超声波熔接设计中应注意的问题
❖对位
❖ 焊头、工件与底模之间的对位 ❖ 工件放于底模，将气压放掉，焊头用力往下拉，对准接触面 ❖ 然后将底模在底板上固定好
❖行程
❖ 以方便取放工件为宜
❖切记不能将焊头直接接触底模或底板的金 属等硬质材料，很可能会导致换能器的破 坏。
48
压力
❖ 1.压力过低,会延长焊接时间,使工件表面产生疤痕 ❖ 或质量不佳 ❖ 2.压力过高,会使工件破裂,使界面结合欠佳, ❖ 甚至过载,而终止超声
16
平头铆接方式-Flush Stake
17
中空铆接方式-Hollow Stake
18
高压铆接方式-High Pressure Stake
19

rgy
Insertion hole in mm (rec.
director 45º
Standard Profile
Hollow Stake
Less than 0.
Before
After
Smooth Gate Area
080 inch
(2.
Chisel Edge
超声波焊接结构设计
超声波焊接结构设计
1.超声焊接结构
焊接筋的角度
120 °
90 °
60 °
45 °
超声焊接结构
基本型
Basic Energy Director
W
W
4
8
W
64
W
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
1.5
0.05
( 0.5 )
0.5
0.5
60 °
超声焊接结构
阶梯型 Chisel energy
Hollow Stake
080 inch
(2.
Spot Welding
080 inch (2. Before
W+ A8fter
Before
After
Low Profile Sta0ke.010” to 0.025”
H08ig0hinPcrhessure(S0ta.2ke5 to 0.64mm)
(2.
Interference per Side
(Range) 0.008” to 0.012” (0.2 to 0.3mm)
0.012” to 0.016” (0.3 to 0.4mm) 0.016” to 0.020” (0.4 to 0.5mm)
Part Dimension Tolerance