超声波焊接机工作原理及影响因素和超声效应

超声波焊接机工作原理及影响因素和超声效应

焊接工序作为锂电池制造工艺中的关键一环，被应用于锂电池铝/铜正负集流体、极片以及电池封装等多个位置的连接，任何焊接接头缺陷都将显著影响锂电池性能的一致性。因此，理解超声焊接过程十分必要。

1、超声波焊接原理

在超声焊接过程中，换能器把高频电信号转化为超声振动信号，高频振动通过焊接工具头传递到待焊金属表面，界面金属氧化膜在一定的压力和超声振动的剧烈摩擦作用下破碎，界面洁净金属接触并在摩擦和超声软化的共同作用下，进一步产生塑性流动和扩散使连接面积逐渐增大最终形成可靠的连接。

焊接接头的形成需经过两个阶段：过渡阶段和稳定阶段。

过渡阶段为清除焊件表面膜和氧化物的短暂过程，稳定阶段为界面产生相互扩散并使相互扩散稳定的过程。在过渡阶段，焊件表面氧化物膜由于强烈磨擦作用破碎，此时磨擦为主要热源，工件温度升高使工件材料屈服强度降低，有利于工件表面氧化膜破碎及发生塑性变形，对接头形成有重要作用。

稳定阶段，金属接触表面变得平滑后摩擦作用减弱，热量由于产生塑性变形而在焊接界面聚集，在此过程中的热量是由工件的塑性变形过程产生，工具头施加的压力致使界面原子之间产生作用力而形成的金属连接过程。

焊接区域塑性变形

工件与工件连接界面仅在压痕槽下方存在连接，接头连接界面的所有槽下方的连接长度求和得到接头连接长度的总和，称之为有效连接长度，也是塑性变形量的一个衡量指标。

2、超声金属焊接工艺参数研究

超声金属焊接过程的主要工艺参数有焊接压力、焊接能量/时间、工具头振幅和工具、头齿纹与尺寸等。

（1）压力的影响

焊接压力对焊接接头质量的影响显著，焊接接头强度随压力的增大先增加后减小。焊接压力会改变焊接界面的滑动阻力，焊接压力较小会导致界面的滑动阻力较小，使摩擦产生的能量不足以让界面形成有效连接；焊接压力过大导致工具头下压过深，焊接界面金属产生相互咬合而影响了界面的相对运动，阻碍界面金属进一步连接，导致焊接接头的力学性能变差。因此，合适的焊接压力参数对焊接质量有决定性。

（2）时间的影响

焊接时间直接影响了焊接过程中能量的输入，对焊接效果有着直接的影响。焊接时间过短，输入能量不足，由于没有充分的摩擦，难以形成有效的焊点；随着焊接时间的增加，相互摩擦引起温度升高，工件材料开始软化，焊接区域界面氧化膜破损及塑性变形，能形成较好的连接；当焊接时间进一步延长，焊头容易在工件表面形成较深的痕迹，对焊接效果产生不利的影响，此外，过长的焊接诶时间易导致焊头与被焊工件的粘结；

（3）振幅的影响

超声波焊接过程中工件与工件形成的振动系统，振幅直接影响工件界面振动的瞬时速度，最终影响摩擦生热及塑性变形，对焊接质量造成影响。

（4）焊头的影响

焊头是超声波金属焊接的关键组成部分，焊接过程中，焊头在压力作用下要抓紧被焊工件，这样，超声波焊机产生的机械振动才能传递给被焊工件界面以形成固相连接。焊头面积不同，会导致焊接过程中焊接压力的分布不同，即连接界面的具有不同的应力，使焊接过程中摩擦力不同，从而使焊接过程中摩擦产热量不同，导致焊接过程中工件温度不同，最终影响接头质量。而焊头花纹齿深则决定焊头花纹嵌入工件表面的难易程度，也直接影响工件表面压痕深度，间接影响焊接过程中工件温度，对接头质量造成影响。因此，焊头形貌及尺寸对接头质量有非常关键的作用。

焊头面积相同时，矩形焊头比圆形焊头产生的塑性变形程度强烈；焊头形状相同时，面积大的焊头能使焊接区塑性变形程度更强烈。

焊头面积相同时，圆形焊头更容易将焊头下方的工件材料挤出，形成更深的压痕；焊头形状相同时， 面积小的焊头使工件表面接触区域压强较大，从而形成更深的压痕。

3、焊接质量监视

（1）破坏性测试

超声焊接的好坏，可直接通过检测焊接区域的抗拉情况进行判定，当虚焊与过焊时，拉力值均会很低。

（2）红外测试

焊接工艺参数不同，导致焊机供给被焊工件的焊接总能量变化，必然引起焊接过程中的摩擦作用不同，致使焊接过程中产生的热量变化，那么焊接过程中工件的温度也将随之变化，焊头-工件接触区温度可以有效反映接头强度，可以通过测量焊接过程中工件的温度预测接头质量。但接触区温度并不是越高越好，对于每种被焊材料匹配，都有一个临界温度值，工件温度小于临界温度时，温度越高则接头强度越高；工件温度大于临界温度时，接头强度则会减弱。

（3）能量反馈

不同的焊接参数，不同的焊接效果所需的能量是不一样的，可以通过检测焊接过程的焊接能量进行判断。

超声波焊接机的超声效应

超声效应

当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应：

机械效应

超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。

空化作用

超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

热效应

由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

化学效应

超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。

超声波金属焊接机应用范围及特点？

超声波金属焊接机应用范围为：于锂电池极片镍、铝、铜、铝镍复合带等材料的不同工艺的超声波焊接。那么有哪些特点呢？如下：

(1)两被焊接物体重叠,经超声振动加压接合成固态形式,接合时间短,且接合部分不产生铸造组织（粗糙面）缺陷。

(2)超声焊与电阻焊方法比较，模具寿命长，模具整修与替换时间少，而且易于实现自动化。

(3)同种金属不同种金属之间均可以进行超声焊接，与电气焊相比耗费能量少得多

(4)超声焊与其他压焊相比，要求压力较小，且变型量在10%以下，而冷压焊其工件变形量达40%-90%。

(5)超声焊接不像其他焊接那样要求进行被焊表面的预处理及焊后的后处理。

(6)处理超声焊接无需助焊剂、金属填料、外部加热等外部因素。

(7)超声焊接可以使材料的温度效应降到低（焊区的温度不超过被焊金属绝对熔化温度的50%）,从而不使金属结构变化，因此很适合电子领域中的焊接应用。