超声波焊接技术

1、2021-11-2page 1 超声波焊接新技术应用超声波焊接新技术应用超声波塑料焊接超声波塑料焊接超声波金属焊接超声波金属焊接超声波钎焊超声波钎焊 博士博士/ /副教授副教授先进焊接与连接国家重点实验室先进焊接与连接国家重点实验室2021-11-2page 2 连接技术分类连接技术分类n焊接技术： 将两种或两种以上的（同种将两种或两种以上的（同种或异种）材料通过原子或分子之或异种）材料通过原子或分子之间的结合和扩散造成永久性连接间的结合和扩散造成永久性连接的工艺过程。的工艺过程。n焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异： 被连接的材料不仅在宏观上被连接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且

2、在微建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系观上建立了组织之间的内在联系。n焊接技术的主体内容： 涵盖熔化焊接、钎接和固相涵盖熔化焊接、钎接和固相焊接几部分。焊接几部分。2021-11-2page 3 超声波塑料焊接超声波塑料焊接焊接原理：焊接原理：main oscpower amptransducerboosterstep hornfixture(1)(1)振动垂直焊接表面振动垂直焊接表面(2)(2)振动摩擦生热振动摩擦生热(3)(3)无填充材料无填充材料(4)(4)点焊点焊(4)(4)自动化程度高自动化程度高(5)(5)易实现焊接过程的易实现焊接过程的闭环间接监控闭环间接监

3、控特性：特性：2021-11-2page 4 超声波塑料焊接超声波塑料焊接焊接设备原理：焊接设备原理：1 1、超声波发生器、超声波发生器2 2、声学系统、声学系统 换能器换能器 变幅杆变幅杆 声极声极3 3、加压系统、加压系统4 4、程序控制系统、程序控制系统2021-11-2page 5 超声波塑料焊接超声波塑料焊接超声波焊接过程示意图超声波焊接过程示意图振动摩擦；温度升高；塑性融合振动摩擦；温度升高；塑性融合工艺参数：工艺参数：超声波振幅、频率（功率）；焊接时间；焊接压力超声波振幅、频率（功率）；焊接时间；焊接压力2021-11-2page 6 超声波塑料焊接超声波塑料焊接超声波焊接机制：

4、超声波焊接机制：（1）机械嵌合：超声波焊接接头中常见到两焊件接触处形成）机械嵌合：超声波焊接接头中常见到两焊件接触处形成塑性流动层，并呈现犬牙交错的机械嵌合。塑性流动层，并呈现犬牙交错的机械嵌合。（2）化学键结合：高分子聚合物受热后分子链断裂，连接界）化学键结合：高分子聚合物受热后分子链断裂，连接界面融合、降温后分子链重新连接，形成化学键结合。面融合、降温后分子链重新连接，形成化学键结合。超声波焊接可靠性：超声波焊接可靠性：2021-11-2page 7 无导能筋无导能筋有导能筋有导能筋超声波焊接界面温度分布超声波焊接界面温度分布超声波塑料焊接超声波塑料焊接超声波焊接工艺超声波焊接工艺接头设计

5、接头设计2021-11-2page 8 a) 10m 矩形导能筋不同振幅超声波矩形导能筋不同振幅超声波焊接界面温度分布焊接界面温度分布b) 20mc) 30md) 40m2021-11-2page 9 a) 10m 三角形导能筋不同振幅超声三角形导能筋不同振幅超声波焊接界面温度分布波焊接界面温度分布b) 20mc) 30md) 40m2021-11-2page 10 超声波塑料焊接超声波塑料焊接接头形式：接头形式：（1）平面熔接法）平面熔接法（2）铆接法）铆接法（3）嵌插法）嵌插法（4）点焊法）点焊法2021-11-2page 11 超声波塑料焊接超声波塑料焊接可焊材料种类：可焊材料种类：（一

6、）热塑性塑料（一）热塑性塑料 热塑性塑料材料指成型后再加热可重新软化加工而化学组成不变的一类塑料。其热塑性塑料材料指成型后再加热可重新软化加工而化学组成不变的一类塑料。其树脂在加工前后都为线性结构，加工中不发生化学变化，具有可熔、可溶的特点。树脂在加工前后都为线性结构，加工中不发生化学变化，具有可熔、可溶的特点。 这类树脂很多，具体如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺类、聚这类树脂很多，具体如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺类、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酯类、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、氟塑料类、聚苯碳酸酯、聚甲醛、聚酯类、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、氟塑料类、聚苯硫醚

7、、聚砜及聚酰亚胺等。（塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很硫醚、聚砜及聚酰亚胺等。（塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。填充物含量低于大的关系。填充物含量低于20%20%的塑料可以正常进行焊接。填充物含量超过的塑料可以正常进行焊接。填充物含量超过30%30%时，时，由于表面塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性）。由于表面塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性）。 （二）热固性塑料（不可焊）（二）热固性塑料（不可焊） 热固性塑料材料指成型后不能再加热软化而重复加工的一类塑料。其树脂在加热固性塑料材料指成型后不能再加热软化而重复加工的一类塑料。其树脂在加

8、工前为线性预聚体，加工中发生化学交联反应使制品内部成为三维网状结构，具有工前为线性预聚体，加工中发生化学交联反应使制品内部成为三维网状结构，具有不溶、不熔的特点。如酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂及不饱和树脂等。不溶、不熔的特点。如酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂及不饱和树脂等。2021-11-2page 12 超声波塑料焊接超声波塑料焊接塑料特性与焊接关系：塑料特性与焊接关系： 绝大部分常用的注射型聚合物都可以采用超声波焊接，但焊接的难易与绝大部分常用的注射型聚合物都可以采用超声波焊接，但焊接的难易与塑料本身的特性关系密切。塑料本身的特性关系密切。（一）塑料的摩擦系数越大，导热性越差，界面越容易形成

9、熔融状，可焊性（一）塑料的摩擦系数越大，导热性越差，界面越容易形成熔融状，可焊性越好；越好；（二）塑料越硬，平面焊接时，对振动传输损耗越小可焊性越好，反之，软（二）塑料越硬，平面焊接时，对振动传输损耗越小可焊性越好，反之，软材料较难焊接；材料较难焊接；（三）结晶型材料由于从固态到熔融状态温度范围太窄，较无定形材料可焊（三）结晶型材料由于从固态到熔融状态温度范围太窄，较无定形材料可焊性差；性差；（四）软塑料在铆焊和嵌插焊时较硬塑料容易。（四）软塑料在铆焊和嵌插焊时较硬塑料容易。 2021-11-2page 13 热塑性塑料超热塑性塑料超声波焊接的相声波焊接的相容性示例图表容性示例图表absabs

10、/ 聚碳聚碳 酸酸酯酯 合金合金 （赛（赛 柯柯乐乐800）聚聚甲甲醛醛丙丙烯烯腈腈丙丙烯烯酸酸系系多多元元共共聚聚物物丁丁二二烯烯-苯苯乙乙烯烯纤维纤维素素(ca,cab,cap)氟氟聚聚合合物物尼尼龙龙亚苯亚苯基基-氧化氧化物为物为主的主的树脂树脂（诺（诺里尔里尔）聚酰聚酰胺胺-酰酰亚胺亚胺（托（托郎）郎）聚聚碳碳酸酸酯酯热热塑塑性性聚聚酯酯聚聚乙乙烯烯聚聚甲甲基基戊戊烯烯聚聚苯苯硫硫聚聚丙丙烯烯聚聚苯苯乙乙烯烯聚聚砜砜聚聚氯氯乙乙烯烯san-nas-asaabs abs/聚碳酸酯合金聚碳酸酯合金 （赛柯乐（赛柯乐800） 聚甲醛聚甲醛 丙烯腈丙烯腈 丙烯酸系多元共聚物丙烯酸系多元共聚物

11、丁二烯丁二烯-苯乙烯苯乙烯 纤维素纤维素(ca,cab,cap) 氟聚合物氟聚合物 尼龙尼龙 亚苯基亚苯基-氧化物为主的树脂（诺氧化物为主的树脂（诺里尔）里尔） 聚酰胺聚酰胺-酰亚胺（托郎）酰亚胺（托郎） 聚碳酸酯聚碳酸酯 热塑性聚酯热塑性聚酯 聚乙烯聚乙烯 聚甲基戊烯聚甲基戊烯 聚苯硫聚苯硫 聚丙烯聚丙烯 聚苯乙烯聚苯乙烯 聚砜聚砜 聚氯乙烯聚氯乙烯 san-nas-asa 2021-11-2page 14 超声波塑料焊接超声波塑料焊接塑料制品焊接三要素：塑料制品焊接三要素：（1）超声波焊接能量）超声波焊接能量 能量能量=压力压力时间时间振幅振幅（2）焊接面设计）焊接面设计（3）定位卡具）定

12、位卡具2021-11-2page 15 超声波塑料焊接超声波塑料焊接应用实例：应用实例：汽车行业；电子行业；医疗行业；无纺布行业；家电行汽车行业；电子行业；医疗行业；无纺布行业；家电行业；办公用品；包装行业。业；办公用品；包装行业。2021-11-2page 16 汽车行业汽车行业n 汽车发动机泡沫覆盖件汽车发动机泡沫覆盖件 35khz2021-11-2page 17 n 排水收集管口连接点排水收集管口连接点 35khz2021-11-2page 18 n汽车前盖挡板焊接汽车前盖挡板焊接 20khz2021-11-2page 19 n 汽车尾灯焊接汽车尾灯焊接 35khz2021-11-2pa

13、ge 20 nfilterscheibe in rckleuchte 35khz2021-11-2page 21 n汽车换档把手连皮革汽车换档把手连皮革/人造革人造革20khz2021-11-2page 22 n 车镜背衬三角车镜背衬三角 20khz2021-11-2page 23 nnspiegel-anbaudreieck a-klasse pa66gf 20khz2021-11-2page 24 n 车门侧板车门侧板 35khz2021-11-2page 25 n pkw-trseitenverkleidung detail lautsprechergitter 35khz2021-11

14、-2page 26 n 汽车仪表盘汽车仪表盘 20khz2021-11-2page 27 n前挡面板前挡面板 20khz2021-11-2page 28 n 轿车进气管内壳轿车进气管内壳 20khz, 端塞端塞 35khz2021-11-2page 29 n 电池充电器焊接电池充电器焊接 20khz2021-11-2page 30 n 宝马前车架仪表环宝马前车架仪表环 20khz2021-11-2page 31 n 汽车徽标和车窗零件汽车徽标和车窗零件 20khz2021-11-2page 32 n mb-徽标徽标 pp-gf 20khz2021-11-2page 33 n 容器盖焊接容器盖焊

15、接 20khz2021-11-2page 34 n 空调插座空调插座 20khz2021-11-2page 35 nn保时捷保时捷v8汽缸头盖汽缸头盖2021-11-2page 36 n机油过滤器机油过滤器 20khz2021-11-2page 37 n柴油机燃油过滤器柴油机燃油过滤器 20 khz2021-11-2page 38 nwas ist das?2021-11-2page 39 n烟盒烟盒 20khz2021-11-2page 40 n交通反光器材交通反光器材 pc 20khz 2021-11-2page 41 n吸入器吸入器 35khz2021-11-2page 42 nnpc-

16、abs messgehuse schweiung 1: ir-fenster schweiung 2: sichtscheibe电子行业电子行业2021-11-2page 43 anwendungs - techniknnpc-abs messgehuse schweiung 1: ir-fenster schweiung 2: sichtscheibe2021-11-2page 44 2021-11-2page 45 其它行业其它行业n日用包装：日用包装：防伪酒瓶盖、自封袋、购物手提袋、牙签盒、纸杯、方便面纸防伪酒瓶盖、自封袋、购物手提袋、牙签盒、纸杯、方便面纸碗、乳品包装盒、冷冻精液软管包

17、装、指甲剪盒等。碗、乳品包装盒、冷冻精液软管包装、指甲剪盒等。n医疗器械：医疗器械：血浆分离杯、白细胞过滤器、加药三通、无菌接头、空气过滤血浆分离杯、白细胞过滤器、加药三通、无菌接头、空气过滤器、（精密）药液过滤器、穿瓶针、扩张器、氧气瓶接头等。器、（精密）药液过滤器、穿瓶针、扩张器、氧气瓶接头等。n文具玩具：文具玩具：墨盒、文件夹、名片夹、相册、半圆仪、玩具眼振落、玩具奶墨盒、文件夹、名片夹、相册、半圆仪、玩具眼振落、玩具奶嘴、闪光球、钥匙链、手机挂件等。嘴、闪光球、钥匙链、手机挂件等。n服装箱包：服装箱包：子母扣、拉链、花边、头饰、鞋垫、手机吊带、背包带、打包子母扣、拉链、花边、头饰、鞋垫

18、、手机吊带、背包带、打包带等。带等。2021-11-2page 46 超声波金属焊接超声波金属焊接焊接原理：焊接原理：超声波金属焊接是利用高频振动超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。的熔合。 焊接过程：焊接过程：（1 1）振动摩擦阶段：超声波金属焊接的第一个过程主要是摩擦过）振动摩擦阶段：超声波金属焊接的第一个过程主要是摩擦过程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为几十微米。这程，其相对摩擦速度与摩擦焊相近，只是振幅仅仅为

19、几十微米。这一过程的主要作用是排除焊件表面的油污、氧化物等杂质，使纯将一过程的主要作用是排除焊件表面的油污、氧化物等杂质，使纯将的金属表面暴露出来。的金属表面暴露出来。 2021-11-2page 47 超声波金属焊接超声波金属焊接（2 2）温度升高阶段：在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升）温度升高阶段：在继续的超声波往复摩擦过程中，接触表面温度升高（焊区的温度约为金属熔点的高（焊区的温度约为金属熔点的35355050），变形抗力下降，在静压），变形抗力下降，在静压力和弹性机械振动引起的交变节应力的共同作用下，焊件间接触表面的力和弹性机械振动引起的交变节应力的共同作用下，焊件间接触表

20、面的塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散甚至深入到被焊材料内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，内部，促使纯金属表面的原子无限接近到原子能发生引力作用的范围内，出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。出现原子扩散及相互结合，形成共同的晶粒或出现再结晶现象。（3 3）固相接合阶段：随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接）固相接合阶段：随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接触部分的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至形成涡流状的塑性流动层，触部分的塑性变形也不断增加，焊接区内甚至

21、形成涡流状的塑性流动层，出现焊件间的机械咬合。出现焊件间的机械咬合。 2021-11-2page 48 超声波金属焊接超声波金属焊接结合机制：结合机制：（1 1）机械嵌合）机械嵌合（2 2）金属原子间的键合：）金属原子间的键合：当原子间距当原子间距0.3nm0.3nm时，就可形成金属键时，就可形成金属键 （3 3）金属间的物理冶金：摩擦生热引起）金属间的物理冶金：摩擦生热引起再结晶、扩散再结晶、扩散 （4 4）界面微区的熔化现象）界面微区的熔化现象 2021-11-2page 49 超声波金属焊接超声波金属焊接焊接优点焊接优点 1 1）焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。）焊接材料不熔融，不脆弱金

22、属特性。 2 2）能实现同种、异种、金属与非金属之间的焊接。）能实现同种、异种、金属与非金属之间的焊接。3 3）不加热、通电，适合于高导热、导电金属如铜、铝的焊接。）不加热、通电，适合于高导热、导电金属如铜、铝的焊接。 4 4）焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。）焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。 4 4）对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。）对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。 5 5）焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。）焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。 6 6）焊接无火花，环保安全。）焊接无火花，环保安全。 缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm5mm），焊点不能太），焊点不能太大、需要加压；接头形式多为搭接；硬脆材料焊接不利。大、需要加压；接头形式多为搭接；硬脆材料焊接不利。2021-11-2page 50 超声波金属焊接超声波金属焊接焊接形式：焊接形式： 点焊点焊 缝焊缝焊 环焊环焊 线焊线焊2021-11-2page 51 超声波金属焊接超声波金属焊接适用产品适用产品：1 1，镍氧电池镍网与镍片互熔。超声波镍片焊接机，镍氧电池镍网与镍片互熔。超声波镍片焊接机2 2，锂电池，聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。