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超声波焊接工艺

超声波焊接工艺
超声波焊接时,母材不发生熔化,焊点不受过大的压力,无很多变形,也没有电流和电流的分流,因此与电阻焊相较,在设计焊点的点距、边距等参数时受到的限制较少。
例如,在点焊结构设计中,超声点焊的边距没有限制,必要时可沿板边点焊。超声波点焊的点距可任意选定,可以重叠,甚至可以重复焊(修补)。此外,超声波点焊的行距也可以任选。
接头设计时应注意如何控制焊接谐振的问题。如果焊件沿振动方向的自振频率与引入的超声振动频率相等或相近,则焊接时可能引起焊件谐振及已焊的焊点脱开,严重时可导致焊件疲劳断裂。解决这个问题的简单方法是改变焊件与声学系统振动方向的相对位置或者在焊件上夹持质量块以改变焊件的自振频率,如图16-24所示。
焊件与声学系统振动方向相对位置的改变
超声波焊接的主要参数是:振幅、振动频率、静压力及焊接时间。
焊接时需用的功率P(W)取决于焊件的厚度δ(mm)和材料的硬度H(Hv),并可按下式确定:
P=KH3/2δ3/2
式中:K--常数
常用功率与焊件厚度及硬度的关系如图16-25所示。
常用功率与工件硬度和厚度的关系
在实际应用中测量超声功率尚有功率,因此常用振幅表示功率的大小。超声功率与振幅的关系可由下式确定:
P=μSFV=μSFZAω/π=4μSFAf
之中:
P--超声功率;
F--静压力;
S--焊点面积;
V--相对速度;
A--振幅;
μ--摩擦系数;
ω--角频率(ω=2πf);
f--振动频率。
常用振幅约为5~25μm。当换能器材料及其结构俺功率选定后,振幅值的大小还与聚能器的放大系数有关。
调节发生器的功率输出,即可调节振幅的大小。铝-镁合金超声点焊的焊点抗剪强度与振幅的实验关系如图16-26所示。
由图16-26可见,焊点抗剪强度随振幅的增大而提高。当振幅过小,例如A<6μm时,无论焊接时间多长或静压力多大也无法形成焊点,但振幅还有一个上限值,超过此值后焊点强度反而降低。
铝-镁合金焊点抗剪强度与振幅的关系
超声焊的谐振频率f在工艺上有两重意义。即谐振频率的选定及焊接时的失谐率。
谐振频率按焊件厚度及母材物理特性来选择。焊接薄件时,宜选用高的谐振频率(如80kHz),以便在维持功率相等的前提下减低需用的振幅。但提高频率后悔增大声学系统内的传播损耗,因而大功率超声焊机在设计时一般选择16Hz的频率由于出现噪声而很少采用。
硬度及屈服强度较低的材料宜采用较低的频率,反之则选用稍高的频率。
由于超声焊过程中负载变化剧烈,随时可能出现失谐现象,从而导致接头强度降低或不稳定。因此焊机选择的频率一旦被确定,工艺上就应维持声学系统的谐振,这是稳定焊点质量的基本保证。
焊点抗剪强度与振动频率的关系如图16-27所示。可见,材料的硬度愈大,厚度愈大,偏离谐振频率(即失谐)的影响也愈显著。
焊点抗剪强度与振动频率的关系
静压力是直接影响功率输出及焊件变形条件的重要因素,它的选择取决于材料厚度及硬度。
通过绘制临界曲线的方法可确定上述各焊接参数的相互影响,如图16-28所示。
静压力与功率的临界曲线
一般选用最小可用功率时的静压力和比最小可用功率稍高的功率进行焊接。

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