第十一章 超声波焊

第11章超声波焊主要内容11.1概述11.2超声波焊的工作原理与分类11.3超声波焊的工艺11.4常用材料的超声波焊

11.1概述超声波焊是利用超声频率(超过16kHz)的机械振动能量和静压力，在其共同作用下，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件输入高热量，只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后有限的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的，因而是一种固态焊接。11.1.1超声波焊的特点超声波焊的优点包括：1）工件不通电，不外加热源，被焊金属不熔化，不形成铸态组织或脆性金属间化合物。2）焊接区金属物理和力学性能不发生宏观变化，接头的静载荷强度和疲劳强度较高。3）可焊材料范围广，可用于金属与金属、高导电、导热型材料、难熔性金属、性能相差悬殊的异种金属的焊接。4）可焊大厚度比及多层箔片的特殊结构件。5）对工件表面焊前的准备要求不严格，焊后无需进行热处理。6）焊接所需电能少，工件变形小。11.1.2超声波焊的应用超声波焊在航空航天、电子电器、包装材料、塑料领域有广泛应用。1）航空航天超声波焊可焊接其他焊接方法难以焊接的材料，在飞机、航空发动机、导弹及机载设备等多种构件的生产中得到了广泛应用。例如：飞机和导弹接地线的焊接；铝、铜、银与其他金属导体的焊接；点火装置的细丝焊接；电动机电枢绕组和铜整流子的焊接；飞机舱门内外铝蒙皮的焊接；喷气发动机高温导管的焊接；仪表、传感器及墨盒的焊接等。此外，在宇宙飞船的核电转换装置中，用超声波焊接铝与不锈钢的组件、卫星上的视窗以及卫星用太阳能电池等均使用了超声波焊接技术。2）电子工业超声波焊广泛应用于微电子器件的连接。例如晶体管管芯、晶体管的控制极及电子器件的封装等。其中最重要、最成功的应用是集成电路元件的连接。例如，在1mm2的硅片上，将数百条直径为25～50μm的Al或Au丝通过超声波焊将接点连接起来。目前，在集成电路生产线上应用的超声波电焊机的功率一般为0.02～2W；频率为60～80kHz；压力0.2～2N；焊接时间为10～100ms。在太阳能硅光电池的制造中，超声波焊将取代精密电阻焊，涂膜硅片的厚度为0.15～0.2mm，铝导线的厚度为0.2mm。此外，可以将上述光电元件直接与热收集装置中的铜或铝管道焊接起来。3）电器工业电动机制造，尤其是微电动机制造中，超声波焊方法正在逐步替代原来的钎焊及电阻焊。微电动机制造中几乎所有的连接工序都可用超声波焊来完成，包括电枢铜导线的连接，整流子与漆包线的连接，铝制励磁线圈与铜导线的焊接以及编织导线与电刷电极之间的焊接等。超声波胶点焊已在我国50万V超高压变压器的制造中得到了成功的应用，取代了国际上通用的钎焊及铆接工艺。此外，热电偶的焊接、导线的焊接也大量采用超声波焊。4）新材料工业超声波焊可在玻璃、陶瓷或硅片的热喷涂表面上连接金属箔或丝。这种应用已不限于微电子器件的生产中。利用超声波的焊接方法，可焊接两种物理性能相差悬殊的材料并制成许多双金属接头。5）塑料超声塑料焊将超声能转化为热能，使塑料局部熔化粘结在一起。超声波焊在塑料工业中有相当广泛的应用。例如，聚乙烯医疗器具的超声波焊；低密聚乙烯离心叶轮的低温超声波焊及聚苯硫醚材料的超声波焊等。新一代的超声塑料焊接机应用微机进行控制，使焊接质量和机器性能大大提高。11.2超声波焊的工作原理与分类11.2.1超声波焊的工作原理上声极传输的弹性振动能量经过一系列的能量转换及传递环节获得。超声波发生器是一个变频装置，它将工频电流转变为超声波频率(15～60kHz)的振荡电流。换能器则利用逆压电效应将电能转换成弹性机械能。传振杆、聚能器用来放大振幅，并通过耦合杆、上声极传递到工件。声学系统中各个组元的自振动频率，将按同一频率设计。当发生器的振荡电流频率与声学系统的自振动频率一致时，系统则产生了谐振(共振)，并向工件输出弹性振动能。超声波焊的形成主要由振动剪切力、静压力和焊区的温升所决定。在超声波焊接过程中，上声极将超声波振动能量传递到工件之间的贴合面上，在此产生剧烈的相对摩擦。摩擦面逐渐扩大的同时，破坏、排挤和分散了表面的氧化膜及其他附着物。在超声波振动往复摩擦的过程中，接触表面温度快速上升，材料的变形抗力下降。在静压力和超声机械振动产生的交变切应力的共同作用下，工件间接触表面的塑性流动不断进行，使已被破碎的氧化膜继续分散，甚至深入到工件材料的内部，促使纯净金属表面的原子接近到能发生引力作用的范围内，促进了高温变形的焊接区再结晶现象的发生。由于微观接触部分严重的塑性变形，此时焊接区能发现涡流状的塑性流动层，如图11-3所示，出现工件表面之间的机械咬合。工件初期咬合较少，咬合面积小结合强度不高，很快被超声波机械振动所产生的切应力破坏。但随着摩擦过程的进行，咬合的点数不断增加，咬合的面积不断扩大。当焊接面的结合力超过上声极与上工件表面之间的结合力时，则上声极与上工件将在振动造成的切力作用下分离，工件之间不再被振动产生的切应力切断，从而形成牢固的焊接接头。金属超声波焊是一种固相焊，焊接过程不发生金属的熔化现象。但是，用高倍透射电子显微镜分析铝、铜超声波焊接接头的组织时发现焊接界面上存在局部熔化现象，所以不能排除局部熔化作为超声波焊接可能的连接机理。11.2.2超声波焊的分类1）振动能量由切向传递到工件表面，从而使焊接界面之间产生相对摩擦。这种方法适用于金属材料的焊接，如图11-4(a)所示。2）振动能量从垂直与焊接表面的方向传到焊接区。这种方法主要用于塑料的焊接，如图11-4(b)所示。超声波焊的接头一般都是搭接接头，按接头形式的不同，超声波焊可分为点焊、缝焊、环焊和线焊等几种形式。超声波点焊环焊采用环焊方法可以一次形成封闭形焊缝，采用的是扭转系统，如图11-6所示。焊接时，耦合杆带动上声极做扭转振动，上声极轴心区振幅为零，边缘振幅最大，适用于微电子期间的封装。由于环焊的一次焊缝的面积较大，需要较大的功率，所以常采用多个换能器的反向同步驱动方式。缝焊超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输给工件，从而获得一条密封的连续焊缝。线焊线焊可以看成是点焊的延伸，是利用线状声极或多个点状声极叠合在一起，在一个焊接循环内形成一条直线焊缝，如图11-7所示。该方法适用于金属箔的线状封口。11.3超声波焊的工艺11.3.1接头设计11.3.2焊接参数

焊接功率P焊接所需要的功率P取决于工件的厚度δ（mm）和材料硬度H（HV），并可按下式计算式中，k为系数。工件厚度δ、材料的硬度H与功率P之间的关系曲线如图11-10所示。超声波振动频率f谐振频率一般在15～75kHz之间。频率的选择应考虑工件的物理性能及其厚度。在焊接薄件时通常选用比较高的谐振频率。因为在维持声功率不变的情况下，提高振动频率可以相应降低振幅，故可避免薄件因为交变应力而引起的焊点的疲劳破坏。通常情况下，频率较高，功率较小。一般小功率的超声波焊机多选用25~80Hz的谢振频率。在焊接硬度及屈服强度均比较低的材料时，宜选用较低的振动频率。振幅A振幅决定着摩擦功的大小、焊接区表面氧化膜的清除程度、结合面摩擦生热的多少、塑性变形区的大小以及材料的塑性流动状况等。因此根据材料性质及其厚度正确选择振幅是获得良好接头的重要保证。静压力Fw静压力是用来直接向工件传递超声振动能量。静压力的选择取决于材料的厚度、硬度、接头形式以及超声波功率等。静压力过低时，大部分振动能量损耗在上声极与工件之间的表面摩擦上，导致超声波几乎无法有效传递到工件。随着静压力的增加，改善了超声波振动的传递条件，使焊接区温度升高，材料的变形抗力下降，塑性流动的程度逐渐加剧，塑性变形的面积增加，焊点尺寸增加，从而使抗剪力上升。焊接时间tw焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间。每个焊点的形成都有一个最小焊接时间，如果小于该时间，则接头的抗剪切力太低。随着焊接时间的增加，焊点的抗剪力迅速提高，并在一定时间内抗剪力大小基本保持不变。但当超过一定时间后，焊点的抗剪力又迅速下降。这一方面由于超声波振动作用时间过长，容易引起焊点表面和内部的疲劳裂纹；另一方面因为工件受热作用时间延长，焊接区塑性变形抗力明显下降，上声极陷入工件，使焊点截面削弱.声极端部的球面半径r和表面形状该参数直接影响到焊缝区的大小，而且与静压力Fw、焊接时间tw、滚盘的速度v及焊剂的功率P的选择有直接关系。搭接平板焊时，有效声极半径应为板材厚度的50～100倍。将丝材焊到板材上时，则需带槽的声