超声波焊接的工作原理以及它的优点和应用范围

超声波焊接是一种固态连接工艺，利用高频超声波声振动，局部施加于在压力下固定在一起的工件。该技术适用于塑料和金属焊接，能够连接不同的材料。当应用于金属时，温度保持在材料的熔点以下，这意味着金属的性质不会像高温连接方法那样改变。超声波焊接无需连接螺栓、钉子、粘合剂或焊接材料，因此广泛用于汽车、航空航天、医疗和计算等一系列应用。

1963年，罗伯特·索洛夫 (Robert Soloff)和西摩·林斯利 (Seymour Linsley)为超声波焊接硬质热塑性部件的方法申请了专利，此前索洛夫偶然发现，只需将超声波探头靠近塑料胶带分配器的两半，它就能将胶带分配器的两半连接在一起。索洛夫发现超声波能量可以穿过和绕过硬质塑料，从而焊接整个接头，于是他开发了第一台超声波压机。

早期的超声波焊接只能连接硬质塑料，它首先应用于玩具行业。然而，第一辆完全由塑料制成的汽车是在1969年用超声波塑料焊接组装而成的。汽车行业放弃了全塑料汽车的想法，但继续使用超声波焊接，因为这项技术也被其他行业采用。

超声波焊接工艺

超声波焊接能够连接硬质和软质塑料以及金属，其基本工艺相同，因为所有超声波焊接系统都由相同的通用组件组成：

1、压力机通常采用电动或气动驱动，用于对两个部件施加压力

2、使用铁砧、夹具或“嵌套”来放置零件，并将高频振动引导至接口处

3、超声波设备（包括换能器、变幅杆和工具头）：

–转换器：利用压电效应将电信号转换为机械振动

–变幅杆：用于以机械方式修改振动幅度，还用于向压力机中的设备施加夹紧力

–工具头：将振动施加到要连接的部件，同时以机械方式修改幅度并形成部件的形状。

设备的这三个元件被调整为以相同的超声波频率共振（以KHz为单位）

1、电源或“超声波发生器”，以与设备相同的共振频率提供高功率电信号：用于管理压力机运动和超声波能量传输的控制器

2、超声波焊接设备可以根据不同的零件规格进行定制，但一般来说，零件被放在一个嵌套中，并夹在压力机中。然后将工具头接触零件，零件局部熔化后粘接在一起。这些振动通常设置为 15 Khz、20 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz和 70 kHz等范围。

它是如何工作的？

1、虽然超声波焊接系统的基础相同，但是超声波焊接在金属和塑料之间形成连接的方式不同。

2、在连接塑料时，两个工件之间的界面通常设计为有助于集中熔化过程。一个工件与另一个工件的界面处会有一个尖刺或圆形的表面接触。这些接触点在超声波能量的影响下熔化以形成接头。在连接热塑性塑料时，这种熔化是局部的，因为振动能量沿着接头被吸收。

3、对于金属，焊接是由于表面氧化物的高压扩散和超声波振动引起的材料局部运动而发生的。虽然该过程会产生摩擦热，但不足以熔化母材。

4、研究发现，超声波焊接工艺甚至可以用于在碳纤维增强聚合物 (CFRP)板材和轻金属之间建立高度耐用的粘合，但关于超声波焊接工艺参数对焊接质量的影响，仍有许多需要学习的地方。

优点

●超声波焊接方法与传统焊接技术相比具有许多优势。这些优势包括超声波焊接的温度低，因为低热影响允许将更多材料焊接在一起。这种低温还意味着需要更少的燃料或能源，从而降低相关成本。

●超声波焊接是一种快速连接方法，可在几分之一秒内将材料粘合在一起。与使用粘合剂相比，这种快速焊接方法具有诸多优势，例如，在连接后无需长时间放置固定装置以进行干燥或固化。

●超声波焊接不需要易燃燃料、明火或消耗品，这意味着工人不会接触危险气体或溶剂，从而使超声波焊接成为一种更安全且对环境安全的技术。

此外，该过程可实现自动化，以快速的循环时间和很少的修补工作提供干净、可重复和精确的接头。

●超声波焊接被发现与使用相同材料的传统焊接一样耐用和坚固。汽车行业希望使用超声波焊接来连接轻质铝，速度比传统焊接更快，温度也更低。

应用

超声波焊接已广泛应用于各行各业。虽然它不适用于连接厚部件，但它非常适合小型、复杂或精密的组件和材料，如电线、电路、金属片、箔、带和网。超声波焊接是一种可以自动化的快速工艺，也用于热塑性塑料，不需要通风来散热或排气。

超声波焊接的常见应用包括：

1.计算与电气

超声波焊接广泛应用于计算机和电气行业，用于连接电线和连接微型电路等小型或精密部件。此外，该技术还用于闪存驱动器等存储介质以及电池组件。

2.航空航天和汽车

超声波焊接在汽车行业用于组装大型塑料和电气产品，包括仪表板、门板、方向盘和发动机部件。航空航天业使用该工艺连接轻质、薄规格的板材（如铝）以及粘合碳纤维等复合材料。

3.医疗

由于超声波焊接不会在焊接过程中引入污染物或降解，因此在医疗行业中得到广泛应用。它用于制造从动脉和血液过滤器到面罩、病号服和透皮贴剂等各种物品。

4.包装

超声波焊接用于制造一系列行业的包装，包括烟花、爆炸物或活性化学品等危险品的包装。它还用于连接丁烷打火机的零件、牛奶容器等食品包装。

审核编辑 黄宇