超声波金属焊接机

超声波金属焊接是19世纪30年代偶然发现的。它类似于摩擦焊，但有区别，超声焊接时间很短，温度低于再结晶;它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小的多。一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动出去金属表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分产生反复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件交界面产生塑性变形。这样在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。焊接时间过长，或超声波振幅过大会使焊接强度下降，甚至破坏。

原理：超声波金属焊接是利用额每秒钟数万次的高频振动波传递到两个需焊接的金属工件表面，再施以一定的压力，使金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，达到焊接的目的，

技术：超声波金属焊接机和超声波塑料焊接机到底有哪些不同呢?

1. 首先，工作方式不一样。通常，超声波塑料焊接中焊头振动方向垂直于焊位，超声波金属焊接中焊头振动方向平行于焊位。有些特殊情况下，塑料焊也可采用平行方向，如较薄的塑料件。

2. 其次，由于超声波应用于焊接金属，对超声波焊接技术提出了更高的要求;相对于普通的塑料焊接，对功率容量、功率密度、稳定性及自动化控制等各个方面的要求，不是同一个级别。现国内超声波塑料焊接用发生器基本都采用自激式电路，典型代表为:8400、8700全桥电路及中国台湾机器常用的半桥电路，显著特点为有个调谐电感。如果将现有的用于塑料焊接的成熟技术直接转嫁到金属焊上，其技术上的先天不足，将导致产品的不稳定使用;其的优势就是价格便宜，但对于金属焊本身的高要求，这点优势是很苍白的。

1. 高功率容量、稳定的超声波发生器:

稳定的超声波发生器首先要求为:频率自动跟踪。频率自动跟踪能保证换能器系统能工作在谐振状态，即焊头振幅的。采用频率自动跟踪技术，更换模具及工作时无须调频，才是用于金属焊的基本要求。有可调电感手动调频率的设备，基本都满足不了要求。

稳定的超声波发生器还要要求:恒振幅功能及振幅的无级可调。恒振幅功能，它能保证焊接的一致性，为稳定生产的关键;振幅的无级可调是保障设备用途的基本，例如在同一设备上通过参数调整既能焊铜，也能焊铝材料。

高功率容量:金属焊相对于塑料焊，要求高的能量密度，必然有相对高的功率容量，如20kHz的机器，基本上要求3000W以上的功率容量。很多公司对于功率容量经常出现虚假标称，那我们只需和他们所做的塑料焊机比较一下即可，因为塑料焊机标称太高是无人信的。

2. 高品质焊头:金属焊作为工业用途，必然要求高寿命的焊头。

3. 高品质换能器:如20kHz的换能器，必须能长期承受3kw以上负载。很多公司的换能器，用普通塑料焊的换能器，外观上很难分辨，这是不负责任的做法。

4. 优质控制系统:具有焊接能量、时间、高度三种基本控制模式，多种质控软件满足不同需求。

特点和优点：

(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(焊区的温度不超过被焊金属熔化温度的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。

优点：熔合强度高;

接近冷态加工、工件不退火、无氧化痕迹;

焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零;

对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接;

焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。

焊接无火花，环保安全。

缺点：是所焊接金属件不能太厚，焊点不能太大，需要加压。

应用：适用于铜、铝、锡、镍、金、银、钼、不锈钢等有色金属材料薄板、细棒、丝、片、带等材料实施瞬间焊接，总厚度可达2-4mm。

应用举例：镍氢电池镍网与镍片互熔。 锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。 电线互熔，偏结成一条与多条互熔，线束焊接。 电线与各种电子元件、接点、连接器互熔。 各种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔。 电子元器件引线、继电器、电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。 金属管的封尾、切断可水、气密。

基本知识：1、超声波金属焊接机是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工;缺点是所焊接金属件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊点位不能太大、需要加压。

2、焊接优点:

1)、焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。

2)、焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。

3)、对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。

4)、焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。

5)、焊接无火花，环保安全。

3、超声波金属焊接适用产品:

1)、镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔。.

2)、锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。.

3)、电线互熔，偏结成一条与多条互熔。

4)、电线与名种电子元件、接点、连接器互熔。

5)、名种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔。

6)、电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。

7)、金属管的封尾、切断可水、气密。

4、 振幅参数

振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数，相当于铬铁的温度，温度达不到就会熔接不上，温度过高就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。因为每一间公司选择的换能器不同，换能器输出的振幅都有所不同，经过适配不同变比的变幅杆及焊头，能够校正焊头的工作振幅以符合要求，通常换能器的输出振幅为10-20μm，而工作振幅一般为30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状，前后面积比等因素有关，形状来说如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等，对变比影响很大，前后面积比与总变比成正比。贵公司选用的是不同公司品牌的焊接机，的方法是按已工作的焊头的比例尺寸制作，能保证振幅参数的稳定。

5、 频率参数

任何公司的超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、40 KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆(Booster)、和焊头(Horn)的机械共振频率所决定，发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围，如一般设定为±0.5 KHz，在此范围内焊接机基本都能正常工作.我们制作每一个焊头时，都会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在19.90-20.10 KHz，误差为5‰。

6、 节点

焊头、变幅杆均被设计为一个工作频率的半波长谐振体，在工作状态下，两个端面的振幅，应力最小，而相当于中间位置的节点振幅为零，应力。节点位置一般设计为固定位，但通常的固定位设计时厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定为零振幅，这样就会引致一些叫声和一部分的能量损失，对于叫声通常用橡胶圈同其它部件隔离，或采用隔声材料进行屏蔽，能量损失在设计振幅参数时予以考虑。

7、 网纹

超声波金属焊接通常会在焊接位表面，底座表面设计网纹，网纹设计的目地在于防止金属件的滑动，尽可能将能量传递到熔接位。网纹设计一般有方形、菱形、条形网纹。黄金手饰等金属包覆焊头与底座根椐要求不能设计纹路，网纹的大小与深浅根据具体的焊接材料要求来确定。

8、 加工精度

超声波焊头因为工作于高频振动情况下，应尽量保持一个对称设计，以避免声波传递的不对称性导致的不均衡应力及横向振动(我们所用于焊接的焊头利用的是超声波振动的纵向传递，对于整个谐振系统而言)，不均衡振动能导致焊头发热及断裂。超声波焊接应用于不同行业对加工精度要求是不同的，对于特别薄的工件如锂离子电池极片与极耳的焊接、金箔等的包覆等对加工精度的要求非常高，我们所有的加工设备均采用数控设备(如加工中心等)，这样才能保证加工出来的精度符合要求。

9、 使用寿命

一只焊头的使用寿命关键决定于两个方面:一、材料，二、工艺

材料方面:超声波焊接要求金属材料有柔顺性好(声波传递过程中机械损耗小)好的特点，所以的材料为铝合金及钛合金，但超声波金属焊接要求焊头耐磨损(要求较高的硬度)，使材料的选择变得比较困难，因为硬度和韧性似乎是天生对立的，这就要求我们选择非常高要求的材料，我们选择的优质钢村料能够比较好地解决这个矛盾，使焊头的有效寿命尽量地提高。

工艺方面:包括有加工工艺及后续处理工艺，加工工艺在前面已详细描述过，后续处理包括热处理及参数的修整，基于我公司选择的材料，我们有的热处理工艺去保证;在每一个焊头制作完成后，单独都要进行参数的测定及调整，以保证出品。

10、 金属相熔性

上图互熔性谨供参考，具体应以实验为准

故障分析：

1、发热焊头在工作时会有一定的发热现象，这是由于材料本身的机械损耗及焊件发热传导所致。焊头发热是否正常判断标准为不带负载(即不接触工件)时，连续发射超声波半小时以上，温度不能够超过50-70℃，如发热厉害，证明焊头已损坏或材料不合格，需要更换。

2.啸叫当焊头工作时出现啸叫时，应分析以下原因:

① 安装螺丝是否已松动

② 焊头是否产生裂纹

③ 焊头是否和不应接触的物件相接触。

2、 过载

当发生器发出过载警报时，应按如下步骤进行检查:

① 空载测试，如工作电流正常，则可能是焊头接触到不应接触的物件或焊头与焊座之间的参数调节出现故障。

② 空载测试不正常时，应首先观察焊头是否有裂纹，安装是否牢固，然后拆下焊头再进行空载测试，排除是否是换能器+变幅杆出现问题，一步步进行排除。排除掉换能器+变幅杆出现故障的可能性后，将新的焊头拆换以判断。

③ 有时会出现空载测试正常，而不能正常工作的情况，有可能是焊头等声能原件内部发生变化，导致声能传递不畅，这里有一个比较简单的判断方法:手触摸法。正常工作的焊头或变幅杆表面工作时振幅是非常均匀的，手摸上去是丝绒般的顺滑，当声能传递不畅时，用手摸上去会有气泡或毛刺的感觉，这时就要采用排除法去排除有问题的部件。发生器不正常时，也能产生同样的情况，因为正常来说检测换能器输入波形时应为顺滑的正弦波，当正弦波上有尖峰或不正常波形时也能产生这种现象，这时可以用另外一整枝声能元件替换以判别

一、小(大)型超声波金属焊接机说明：
      本公司专业生产的20KHZ超声波金属焊接机是利用高频振动波传递到两个需点焊的金属表面上，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的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。
二、小（大）型超声波金属焊接机参数：
1.品牌：西格
2.型号：XG-20KHZ
3.工作频率：20KHZ
4.机台重量：37KG
5.工作气压：0.5kgf/cm2-8.0kgf/cm2
6.工作电压：220V-50HZ
7.标准功率：300W～500W~600W~1000W~1500W
三、小（大）型超声波金属焊接机适用产品：
1.电线互熔，偏结成一条与多条互熔。
2.镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔。
3.电线与名种电子元件、接点、连接器互熔。
4.锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。
5.超声波金属管的封尾、切断可水、气密。
6.名种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂
巢心的互熔。
7.电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。
四、超声波金属焊接机焊接优点：
1.焊接无火花，环保安全。
2.焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。
3.对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。
4.超声波焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。
5.焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。

五：焊接相关产品展示图片

二、 铝箔滚焊机主要技术参数及其配置：

机器重量：400KG

机架尺寸:2400×1600×800mm

机头尺寸：265×730×200mm

电源电压：AC380V±5%   50HZ±1%

气求: ≧5.0kgf/c㎡

工作频率：20KHZ±0.3KHZ

输出功率： 3600W

控制方式: 5.7寸触摸屏全数控

保护功能：多重保护，开机自检

焊接厚度：0.08-0.25mm

焊接速度： ≧6m/min,≦15m/min

焊接强度： ≧本体材料拉力轻度70％

工作方式：气控（PC）

设备关键件配置及其厂家：

三、 铝箔滚焊机结构特征：

MST-3600型超声波金属铝箔滚焊机由机床、超声功率发生器两个部分组成。

㈠ 机床 （见图1）

机床由机箱、导柱、换能器、气动系统、PC电路、底模组成。

1、 声组件（见图2）

声组件由换能器、焊头两上部分组成。换能器采用压电振子，其作用是将电能转换成机械振动。变换器类比于电路中的变压器，起机械阻尼变换和振幅放大作用。焊头是根据焊接要求和焊件形状设计的，它还起着二组阻抗变换和振幅放大作用。从结构和形状看，

焊头不算复杂的，然而却需要设计、材料和加工技术。形状复杂、尺寸较大的焊头，设计难度很大，一般都由制造厂设计。

2、 气压系统

气压系统由压缩空气作动力，通过电磁阀切换电路，推动气缸活塞带动焊头做上下运动。用调压阀控制气压大小，用单向节流阀控制升降速度。

3、 控制电路

控制电路对焊接过程执行程序控制。面板上功能键，可根据焊接不同对象设定焊接时间，延持时间，然后踩下脚踏开关，焊机将自动完成一次焊接过程。

㈡超声功率发生器（见图3）

超声功率发声器向声组件提供电功率。由于在焊接过程中，声组件的谐振频率和阻抗将有较大的变化，所以超声功率发声器必须有频率自动跟踪的能力，输出功率受负载自动调节的能力。XG-3600型超声波金属铝箔滚焊机采用他激振荡；相位法自动频率跟踪；恒定振速控制。

四、使用和维修：

1、声组件和连接

声组件的两个部分：换能器、焊头是通过应力螺栓紧密地连接，相互连接的端面必须光洁无尘。紧固时需用两个专用扳手拧紧。

2、超声功率发声器与机床电气连接。

在机床上有两根输入电缆，一根带有四芯插头，一根带有七芯插头，它们分别与超声功率发声器后面板上的四芯插座和七芯插座相连接。

3、 工作参数显示及调整

MST-3600型超声波金属铝箔滚焊机在工作时，其工作参数一目了然，并能方便地进行调整。

4、 电流（I）

“参数指示“开头置“I”,此时表头指示为功放平均输入电流，电流的值为IO(4A)

当实际负载大于匹配负载时，IO减小。

5、 频率调谐

“参数指示”开半置“F”此时表头指示控制振荡频率的电压。当超声频率发声器的频率等于声组件的谐振频率时，表头指示在正中位置。此时若声组件的谐振频率发生变化，则指示位置也发生跟随变化。根据指示变化的方向和程度，可以判断声组件的谐振频率变化的方向和程度。频率跟踪的精度与频率失谐的程度成反比。为了提高跟踪精度，应调节超声功率发声器面板上的“频率调谐”旋钮上的刻度指示可供估计频率用。当旋钮上的指示为5圈0为，表头指示为正中位置时，工作频率位20KHZ。

四、 焊接实践（见图4）

1、 焊前准备。

2、 仔细阅读使用说明书。

3、 作好安全检查，机壳要严格接地。

4、

5、接通电源、气源，手按定位调试键，焊头即可作上下动作，一般出厂前即调节好焊头与底模的距离。｛磨损后仍需调整｝

6、调节焊头上下速度

焊头上下速度应适中，太快将冲击焊件，太慢又影响工作效率。

7、 调节工作压力

工作压力范围一般在0.2-0.6MPa之间两宜，通过调压阀可白边工作压力大小。    ｛一般为0.5MPa ｝

五、 超声调试---调谐

1、在焊接过程中若发现定位不准，连接松动，发生器报警等异常情况时，应立即关机

排除故障。

2、 在焊接过程中若发现焊接质量下降，应停机查明原因，待问题解决后才可继续焊接

（1）、预调（称“小信号”）将“使用方法”开关置“调谐”位置；“负载选配”开关置IV档；“参数指示”开关置“F”；“频率调谐”旋钮置5圈0位。焊头空悬。一手按“超声”开关，另一手调节“调谐旋钮”，台阶时间不能超过3秒/次，使表头指示回到中间位置（*注意：指针必须能在中间位置左右偏转。然后置于中间位置），此时用手触摸焊头端面应有明显的振动感觉。

正常的声组件在调谐时，指示能在左右一个较大范围内变化。表头指示的方向与“频率调谐”旋钮的方向相反，即当表头指示偏右时，“频率调谐”旋钮应顺时针方向旋。“频率调谐”指示偏离中间位置而不发生跳变的范围越大，说明频率跟踪的范围越大，工作的可靠性越高。

一般小尺寸的焊头比大尺寸的焊头频率跟踪范围大。焊头设计的好坏，对频率跟踪的影响很大。特别是大尺寸的焊头，必须精心设计。

（2）正式调（称“大信号”）“使用方法”开关置“工作”位置。踩下脚踏开关，使焊头压住焊件。观察表头指示，若指示偏离预调时的位置，需再调一下，使指示回到原来的中间位置。｛焊头下必须有负载，否则将损坏焊头｝

六、 维护与保养

1、 工作环境

机器应放置在清洁、干燥、通风良好的工作场所里。

2、 工作监视

在焊接过程中，应随时监视机器工作状态及焊接质量，若发现有不正常现象，应立即查明原因，作出处理。

3、 电源要求

在电网电压波动大于±5%时 ，应采取稳压措施。采用交流稳压电源。

七、 维护与保养

1、 开机要求

① 发生器及机床上电源指示灯亮

② 听到发声器内轴流风扇的转动声

③ 发声器上表头的频率指在中间位置

2、调谐要求

 ①旋转“调谐”旋钮，表头指示能中心值左右移动。此时:用手摸焊头表面，应有明显振感。表头指示的电压V≯20V

②当调谐使表头频率指示在中间位置时，旋钮指示应在5圈0位（5.0）附近

3、控制要求

①旋钮“工作压力”旋钮，气压指示可在0.1-0.6MPa 范围内变化

②按动“定位调试”开关，机头可用上下动作。

③按下“启动”开关或脚踏开关，机头可自动完成一次焊接动作。

4、 故障分析

① 检修程序

 开机----调谐检查----工作检查----分机检查----排除故障

② 常见故障表

5、分机检查

①发生器检查Ａ、开机

电源指示灯不亮：判-15Ｖ电压无

表头无频率指示：判+15Ｖ电压无

Ｂ、调谐

拔出发生器后面四芯插头，手按“超声”开关，此时：

表头频率指示明显左下偏：判发生器正常

表头频率指示在中间位置不动，观察电压和电流指示：Ｉ＝0，　Ｖ＝0：判超声控制无Ｉ＝0，　Ｖ﹥50Ｖ：判无振荡输出

②声组件检查

Ａ、观察换能器，焊头接触表面有无黑色裂纹。

Ｂ、调谐检查，若不符九/2项要求，则缷下焊头，对换能器进行检查，若仍不符九/2项要求，则换能器坏；若符合九/2项要求，则对换能器与焊头之间的接触表面进行清理（清洗或研磨）后，再坚固在一起，进行调谐，若仍不符九/2项要求，则焊头坏。否则判接触桧或接触不良。

③控制检查

Ａ、检查气路系统：压力指示，压力调节是否正常

Ｂ、检查控制电路板：在进行定位调试时，继电器是否有吸合作用，定时和保持指示灯是否继续发亮，若有其一不正常，判定时电路板坏

Ｃ、检查开关：若某一开关失灵，而其他开关工作正常，则判此开关失灵

八、 用户须知

建议用户自备一个焊头及换能器，以防损坏后停机待修造成损失。

保证期为一年，如在正常使用下发生故障，本公司负责免费修理。