不锈钢和塑料焊接（塑料与金属的焊接）

超声波焊接每天都在装配线上工作，可靠地连接各种塑料和金属部件。

超声波焊接为组装人员提供了极大的灵活性和快速的循环时间，可以连接许多塑料或金属部件。超声波塑料焊接是用于连接热塑性塑料的最广泛使用的工艺之一。超声波金属焊接越来越多地被选择用于其他焊接工艺受到限制的应用，特别是对于不同金属部件必须接合的挑战性应用。

材料连接工艺已经使用超声波能量多年。超声波在20世纪30年代首次用于金属晶粒细化，随后在20世纪40年代进行焊接和电阻焊接增强，然后在20世纪50年代焊接塑料和金属部件。

超声波塑料焊接非常适用于快速连接半晶和非晶态热塑性塑料和热塑性复合材料。它不适用于热固性材料。由于这种加工过程具有通用性，经济性和快速性，因此在几乎所有行业都广受欢迎，适用于从儿童玩具到医疗器械的广泛应用。

超声波塑料焊接是一种锻造焊接工艺，加热部件使其软化和流动以产生焊缝。相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化贱金属。超声波金属焊接已经广泛应用于连接诸如铜和铝的软材料，用于从电子到航空和汽车的应用。由于这种加工过程具有通用性，经济性和快速性，因此在几乎所有行业都广受欢迎，适用于从儿童玩具到医疗器械的广泛应用。超声波塑料焊接是一种锻造焊接工艺，加热部件使其软化和流动以产生焊缝。相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化贱金属。超声波金属焊接已经广泛应用于连接诸如铜和铝的软材料，用于从电子到航空和汽车的应用。由于这种加工过程具有通用性，经济性和快速性，因此在几乎所有行业都广受欢迎，适用于从儿童玩具到医疗器械的广泛应用。超声波塑料焊接是一种锻造焊接工艺，加热部件使其软化和流动以产生焊缝。相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化贱金属。超声波金属焊接已经广泛应用于连接诸如铜和铝的软材料，用于从电子到航空和汽车的应用。 相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化贱金属。超声波金属焊接已经广泛应用于连接诸如铜和铝的软材料，用于从电子到航空和汽车的应用。相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化贱金属。超声波金属焊接已经广泛应用于连接诸如铜和铝的软材料，用于从电子到航空和汽车的应用。

一个40千赫的超声波塑料焊接机将盖子连接到汽车部件的底座。

超声波金属焊接应用平行于接头界面的机械振动，在强力下保持在一起的两个表面之间形成擦洗，摩擦状的相对运动。运动变形，剪切和拉平局部表面粗糙度，分散界面氧化物和污染物，以在表面之间产生紧密的金属接触，从而形成固态焊缝。

超声波金属焊接应用广泛，适用于电子，汽车，航空航天，家电，医疗产品等行业。虽然几乎所有的金属都可以用超声波焊接，但是典型的应用包括铜，铝，镁和相关软质金属合金（包括金和银）的各种合金。

许多不同的金属组合，例如镍到铜或铝到钢，容易用超声波焊接。可以在板，片，箔，线，带和相对的平坦表面之间形成焊接。常见的用途是将几条绞合的铜线或焊接的铜线连接到终端。超声波金属焊接越来越多地用于汽车和航空航天工业的结构部件。

优点和缺点。超声波金属焊接的广泛应用最容易归功于其优点。超声波金属焊接是一种固态低热处理。焊接高导热性金属如铝和铜是非常好的，其中使用电阻点焊是有限的。该方法通常用于涉及多层，不同厚度，不同的材料和焊缝通过污染物和氧化物。

焊接循环快速，通常在0.5秒以下，并且该过程易于自动化。不需要诸如填充金属或保护气体的消耗品。焊接高导电性材料所需的能量很低，特别是与熔焊工艺相比。超声波焊接工艺可以非常重复，在6西格玛以内。但是，不一致的部分将导致一个似乎不可控制和不一致的过程。

超声波金属焊接确实有限制。接头通常限于搭接接头。虽然几乎所有的金属都可以被超声波焊接，但是可以焊接的厚度受到电源和金属硬度的限制。通常，可焊接的厚度与硬度成反比。超声波焊接通常用于汽车级铝合金，最近已被证明适用于类似厚度的高强度钢。

由于是固态工艺，因此需要一定量的变形来分散污染物和氧化物。当焊接频率高于可听频率范围时，部件可能以可听见的较低频率谐振。

模具问题。超声波金属焊接工具应用平行于接头界面平面的机械振动。该工具包括焊接尖端和砧座，其通常具有特定于被焊接部件的形状。焊头可以是直接加工到超声焊丝或喇叭中的特征，或者尖端可以是螺栓连接到超声波发生器上的单独部件。待焊接的部件牢固地夹在尖端和砧座之间，使得超声能量集中在两部分之间的界面处。

夹紧力相当高，并且工具必须是刚性的，以在施加的夹紧力下通过重复的焊接周期有效地传递超声波能量。此外，虽然超声波金属焊接是低热处理，部件不熔化，但是在焊接高强度金属时，接头可能在焊接周期期间发出红热。在焊接过程中，刀具材料必须抵抗焊接。

超声波金属焊接传统上是模具与工件之间的粘接。因此，工具要求非常严格。模具必须具有高硬度以避免变形，良好的韧性避免压裂，并具有良好的高温优势。

变化。最常见的超声波金属焊接系统产生局部超声焊接，类似于点焊。在接头上应用超声能量有两种不同的系统，称为横向驱动和楔形簧片，但焊接时的振动力学是相同的。

超声波微结合（特别是超声波楔形键合）的密切相关的过程本质上是用于电子互连的小规模超声波点焊。扭转焊接也类似于点焊，但是在这种情况下，换能器被布置成使得机械振动是角而不是线性的。因此，部件上的刀具运动是旋转的而不是线性的。因此扭转焊缝本质上是圆形的，并且非常适合于诸如在圆柱形容器上焊接铜和铝盖的应用。

接缝焊接使用与侧向点焊相同的技术，但该工具是沿着接头表面滚动的实心轮。箔袋的密封是该技术的常见应用。一种称为超声波添加剂制造的新技术是缝焊工艺的一个变体。这个过程将箔片层叠在一起，一次一个，以建立一个坚实的结构。这种快速原型制造过程将数控铣床与现场机器特征相结合。应用包括注塑模具，金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。接缝焊接使用与侧向点焊相同的技术，但该工具是沿着接头表面滚动的实心轮。箔袋的密封是该技术的常见应用。一种称为超声波添加剂制造的新技术是缝焊工艺的一个变体。这个过程将箔片层叠在一起，一次一个，以建立一个坚实的结构。这种快速原型制造过程将数控铣床与现场机器特征相结合。应用包括注塑模具，金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。接缝焊接使用与侧向点焊相同的技术，但该工具是沿着接头表面滚动的实心轮。箔袋的密封是该技术的常见应用。一种称为超声波添加剂制造的新技术是缝焊工艺的一个变体。这个过程将箔片层叠在一起，一次一个，以建立一个坚实的结构。这种快速原型制造过程将数控铣床与现场机器特征相结合。应用包括注塑模具，金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。称为超声波添加剂制造，是缝焊工艺的一个变种。这个过程将箔片层叠在一起，一次一个，以建立一个坚实的结构。这种快速原型制造过程将数控铣床与现场机器特征相结合。应用包括注塑模具，金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。称为超声波添加剂制造，是缝焊工艺的一个变种。这个过程将箔片层叠在一起，一次一个，以建立一个坚实的结构。这种快速原型制造过程将数控铣床与现场机器特征相结合。应用包括注塑模具，金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。

扭转超声波金属焊接是圆形的，非常适用于在圆柱形容器上焊接铜和铝盖的应用。

超声波塑料焊接应用垂直于接头界面的机械振动，其通过接头界面处的表面粗糙度之间的分子间摩擦产生热量。当该热量将界面处的温度升高到其软化温度以上时，聚合物开始流动，导致在振动停止之后的熔融焊接。

无定形和半结晶热塑性塑料可以使用超声波塑料焊接进行连接，但热固性聚合物不能。无定形聚合物具有随机取向和缠结的聚合物链，在宽的温度范围内产生软化。无定形聚合物链能够扩散并流过其玻璃化转变温度。

优点和缺点。超声波塑料焊接通常用于太复杂而不能模制成一体的部件上。快速的焊接循环时间使得该工艺非常适合生产。该过程是最通用的，因为相同的设备可以焊接不同的部件和热塑性材料。现代超声波设备提供了复杂的控制和监控功能，使得该过程易于自动化和控制，同时在许多竞争焊接过程中仍然保持经济优势。

超声波塑料焊接确实有缺点。工艺参数如功率水平，焊接力，焊接时间和停留时间之间存在很高的相互依存关系。材料性质如熔点，熔体粘度和模量均影响接头的质量。不是所有的零件几何都是可焊接的，并且需要特定的接头设计。模制件的尺寸公差变得至关重要。

半结晶聚合物具有区域取向分子。这些有序结构需要高热量输入才能分离，并且它们不会流动直到加热到其熔融温度。需要更多的超声能量来熔化具有较高熔点或玻璃化转变温度的塑料。半结晶聚合物倾向于耗散能量，而不是在焊接界面吸收能量。通常，焊接多晶聚合物需要更高的幅度 - 更多的功率，而不是焊接无定形聚合物。

夹具和接头。将零件固定到位是超声波塑料焊接成功的关键。事实上，夹具可能是超声波焊接最重要的元件，其设计不容忽视。这在需要使用夹具进行快速装载和卸载的应用中尤其具有挑战性。

超声波塑料焊接需要特殊的接头设计，以将超声波能量集中在一个小面积上，以有效和快速地促进聚合物流动。在焊接之前，零件应该接触并能够振动。在焊接过程中，必须控制接头的倒塌。需要注意尺寸公差。接头设计取决于部件要求，热塑性的类型和零件几何形状。

已经使用许多技术来改善焊接一致性。最流行的方法是使用能源总监，其是模制在顶部焊接表面上的三角形突起。在焊接过程中，能量指向器的角度点具有最大的周期应变以产生高水平的加热并促进熔化。

由于能源总监在压力下融化，所以向外流动。由于能量控制器遍及焊接界面，所以它接触较冷的表面，导致加热速率的降低。这降低了熔化速度和位移。最终两个零件表面接触，并且熔化速率增加，从熔接中推出更多的熔体。这促进了聚合物链跨越焊接界面的缠结并产生强的键。当振动停止时，焊接部件在压力下冷却。

能量控制器只是用于超声波焊接的几种联合设计之一。 另一个流行的方法是依靠干涉配合和剪切效应将超声能量集中在一个小区域上。熔体有助于产生额外的熔体和焊缝。

超声波焊接对正在连接的部件施加小幅度的高频机械振动。这些振动的振幅为5至400微米，频率为20至70千赫兹，高于我们的听觉范围。

所有超声波焊接系统均由计算机或微处理器控制器组成。通常集成到控制器中的电源; 传感器; 助推器 超声波或喇叭; 和砧座。传感器由压电晶体组成。施加于压电晶体的直流电压根据极性而使其膨胀或收缩。在超声波焊接中，来自电源的20〜70千赫兹的高频交流电压使得晶体交替地膨胀和收缩，这是用于超声波焊接的机械振动的来源。

机械振动通过助推器耦合到超声波发生器或喇叭，两者都用于改变振动幅度以满足特定的焊接要求。待焊接的部件通过通常由气动或电动舵机施加的力固定在喇叭和砧座之间。机械振动的能量从喇叭传递到接头界面以焊接零件。特别重要的是注意到，在焊接塑料部件时，这些振动垂直于接头的平面施加，而在焊接金属部件时，振动平行于接头的平面施加。

喇叭将所有的焊接能量提供给零件，并加工成能够使接头界面处的超声能量最大化。超声波塑料焊接喇叭通常由钛或铝合金加工而成。为了最有效地传递能量，喇叭的末端被设计成适合其接触部分的几何形状。

喇叭设计至关重要，因为机械路径长度必须精确调整到零件上。调谐直接影响焊接质量，每个部件设计需要不同的超声波喇叭。正确的调谐确保了接头界面的最大能量吸收，并将最小的能量反射回电源，大大延长了设备使用寿命。在焊接塑料部件时，例如，喇叭的长度可以等于超声能量的一半或一个全波长，其由喇叭材料中的声音的频率和速度决定。

根据应用，通常可以使用三种焊接模式。单位可以按时间，能量或距离进行焊接。对于无论使用何种模式，控制器都会编写适当的时间，距离或能量值。当满足编程条件时，超声能量停止。

影响焊接质量和完整性的其他参数包括超声频率，施加到部件上的力和振动幅度。改变任何参数可以极大地影响焊接质量。没有最佳超声波频率; 许多单位在20千赫兹附近工作。

超声波焊接需要特别注意零件尺寸和接头设计。事实上，焊接参数是零件几何的二次。在超声波塑料焊接中，具有取决于零件几何形状和材料的特定接头设计。超声波金属焊接通常只能在搭接焊缝和有限的厚度下进行。

过程物理学很复杂 通常使用大规模实验设计或试验和误差来确定焊接参数。每种材料和接头设计在超声波焊接过程中都会有不同的表现。