超聲波焊接是一種固態(tài)連接工藝，利用高頻超聲波聲振動，局部施加于在壓力下固定在一起的工件。該技術(shù)適用于塑料和金屬焊接，能夠連接不同的材料。當(dāng)應(yīng)用于金屬時，溫度保持在材料的熔點以下，這意味著金屬的性質(zhì)不會像高溫連接方法那樣改變。超聲波焊接無需連接螺栓、釘子、粘合劑或焊接材料，因此廣泛用于汽車、航空航天、醫(yī)療和計算等一系列應(yīng)用。
1963年，羅伯特·索洛夫 (Robert Soloff) 和西摩·林斯利 (Seymour Linsley) 為超聲波焊接硬質(zhì)熱塑性部件的方法申請了專利，此前索洛夫偶然發(fā)現(xiàn)，只需將超聲波探頭靠近塑料膠帶分配器的兩半，它就能將膠帶分配器的兩半連接在一起。索洛夫發(fā)現(xiàn)超聲波能量可以穿過和繞過硬質(zhì)塑料，從而焊接整個接頭，于是他開發(fā)了第一臺超聲波壓機。
早期的超聲波焊接只能連接硬質(zhì)塑料，它首先應(yīng)用于玩具行業(yè)。然而，第一輛完全由塑料制成的汽車是在1969年用超聲波塑料焊接組裝而成的。汽車行業(yè)放棄了全塑料汽車的想法，但繼續(xù)使用超聲波焊接，因為這項技術(shù)也被其他行業(yè)采用。
超聲波焊接工藝
超聲波焊接能夠連接硬質(zhì)和軟質(zhì)塑料以及金屬，其基本工藝相同，因為所有超聲波焊接系統(tǒng)都由相同的通用組件組成：
1、壓力機通常采用電動或氣動驅(qū)動，用于對兩個部件施加壓力
2、使用鐵砧、夾具或“嵌套”來放置零件，并將高頻振動引導(dǎo)至接口處
3、超聲波設(shè)備（包括換能器、變幅桿和工具頭）：
– 轉(zhuǎn)換器：利用壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動
– 變幅桿：用于以機械方式修改振動幅度，還用于向壓力機中的設(shè)備施加夾緊力
– 工具頭：將振動施加到要連接的部件，同時以機械方式修改幅度并形成部件的形狀。
設(shè)備的這三個元件被調(diào)整為以相同的超聲波頻率共振（以KHz 為單位）
1、電源或“超聲波發(fā)生器”，以與設(shè)備相同的共振頻率提供高功率電信號：用于管理壓力機運動和超聲波能量傳輸?shù)目刂破?/p>
2、超聲波焊接設(shè)備可以根據(jù)不同的零件規(guī)格進(jìn)行定制，但一般來說，零件被放在一個嵌套中，并夾在壓力機中。然后將工具頭接觸零件，零件局部熔化后粘接在一起。這些振動通常設(shè)置為 15 Khz、20 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz 和 70 kHz 等范圍。
它是如何工作的？
1、雖然超聲波焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)相同，但是超聲波焊接在金屬和塑料之間形成連接的方式不同。
2、在連接塑料時，兩個工件之間的界面通常設(shè)計為有助于集中熔化過程。一個工件與另一個工件的界面處會有一個尖刺或圓形的表面接觸。這些接觸點在超聲波能量的影響下熔化以形成接頭。在連接熱塑性塑料時，這種熔化是局部的，因為振動能量沿著接頭被吸收。
3、對于金屬，焊接是由于表面氧化物的高壓擴散和超聲波振動引起的材料局部運動而發(fā)生的。雖然該過程會產(chǎn)生摩擦熱，但不足以熔化母材。
4、研究發(fā)現(xiàn)，超聲波焊接工藝甚至可以用于在碳纖維增強聚合物 (CFRP) 板材和輕金屬之間建立高度耐用的粘合，但關(guān)于超聲波焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，仍有許多需要學(xué)習(xí)的地方。
優(yōu)點
●超聲波焊接方法與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括超聲波焊接的溫度低，因為低熱影響允許將更多材料焊接在一起。這種低溫還意味著需要更少的燃料或能源，從而降低相關(guān)成本。
●超聲波焊接是一種快速連接方法，可在幾分之一秒內(nèi)將材料粘合在一起。與使用粘合劑相比，這種快速焊接方法具有諸多優(yōu)勢，例如，在連接后無需長時間放置固定裝置以進(jìn)行干燥或固化。
●超聲波焊接不需要易燃燃料、明火或消耗品，這意味著工人不會接觸危險氣體或溶劑，從而使超聲波焊接成為一種更安全且對環(huán)境安全的技術(shù)。
此外，該過程可實現(xiàn)自動化，以快速的循環(huán)時間和很少的修補工作提供干凈、可重復(fù)和精確的接頭。
●超聲波焊接被發(fā)現(xiàn)與使用相同材料的傳統(tǒng)焊接一樣耐用和堅固。汽車行業(yè)希望使用超聲波焊接來連接輕質(zhì)鋁，速度比傳統(tǒng)焊接更快，溫度也更低。
應(yīng)用
超聲波焊接已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。雖然它不適用于連接厚部件，但它非常適合小型、復(fù)雜或精密的組件和材料，如電線、電路、金屬片、箔、帶和網(wǎng)。超聲波焊接是一種可以自動化的快速工藝，也用于熱塑性塑料，不需要通風(fēng)來散熱或排氣。
超聲波焊接的常見應(yīng)用包括：
1. 計算與電氣
超聲波焊接廣泛應(yīng)用于計算機和電氣行業(yè)，用于連接電線和連接微型電路等小型或精密部件。此外，該技術(shù)還用于閃存驅(qū)動器等存儲介質(zhì)以及電池組件。
2. 航空航天和汽車
超聲波焊接在汽車行業(yè)用于組裝大型塑料和電氣產(chǎn)品，包括儀表板、門板、方向盤和發(fā)動機部件。航空航天業(yè)使用該工藝連接輕質(zhì)、薄規(guī)格的板材（如鋁）以及粘合碳纖維等復(fù)合材料。
3. 醫(yī)療
由于超聲波焊接不會在焊接過程中引入污染物或降解，因此在醫(yī)療行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。它用于制造從動脈和血液過濾器到面罩、病號服和透皮貼劑等各種物品。
4.包裝
超聲波焊接用于制造一系列行業(yè)的包裝，包括煙花、爆炸物或活性化學(xué)品等危險品的包裝。它還用于連接丁烷打火機的零件、牛奶容器等食品包裝。
常見問題解答
哪些材料可以進(jìn)行超聲波焊接？
超聲波焊接可用于連接軟質(zhì)和硬質(zhì)熱塑性塑料以及熱塑性復(fù)合材料。它還可用于連接鋁、黃銅、銅和大多數(shù)貴金屬以及焊接鎳合金。該工藝還可用于焊接一系列異種金屬。
超聲波焊接防水嗎？
對于水箱、咖啡壺、吸塵器外殼等產(chǎn)品，超聲波焊接并不能自然地產(chǎn)生防水（或氣密）的接合。但是，通過正確定位要接合的上下塑料殼、焊縫結(jié)構(gòu)、壁厚、材料以及超聲波頻率和功率，可以滿足防水或氣密的要求。?
超聲波焊接危險嗎？
超聲波焊接比許多傳統(tǒng)焊接方法更安全，因為它不需要大量熱量，也不會產(chǎn)生煙霧。由于該技術(shù)具有很強的針對性，因此由于電能過剩而導(dǎo)致的危險也較少。
超聲波焊接會產(chǎn)生熱量嗎？
超聲波焊接使用高頻超聲波能量產(chǎn)生低振幅機械振動。這些振動在焊接部件接觸處產(chǎn)生熱量，盡管這種熱量足以熔化熱塑性材料，但不足以真正熔化被連接的金屬。
超聲波焊接使用的最高頻率是多少？
超聲波焊接使用的最大頻率為 70 kHz。使用的最小頻率為 20 kHz，這是人類可以聽到的，因為人類可以聽到的聲音范圍為 16-20 kHz。更高的頻率只能被感知為振動。
結(jié)論
超聲波焊接是一種利用高頻振動能量的連接技術(shù)。當(dāng)工件在壓力下牢固地固定在一起時，該能量會施加到工件上。超聲波焊接能夠熔化和連接軟硬熱塑性塑料和熱塑性復(fù)合材料，也可用于連接鋁、黃銅或金等薄而軟的金屬，而無需熔化基材。此外，超聲波焊接還可用于焊接一些異種金屬。這種連接方法廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行焊接，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生污染。
