超声波焊接为装配商提供了巨大的灵活性和快速的周期时间，以连接许多塑料或金属部件。超声波塑料焊接是应用最广泛的热塑性塑料焊接工艺之一。超声波金属焊接越来越多地被选择用于其他焊接工艺有限的应用场合，特别是在必须连接不同金属部件的具有挑战性的应用场合。

超声能量应用于材料连接工艺已有多年的历史。20世纪30年代，超声波首先被用于金属晶粒细化，接着在40年代被用于焊接和电阻焊接增强，然后在50年代被用于焊接塑料和金属部件。

超声波塑料焊接是一种非常流行的快速连接半晶和非晶热塑性塑料和热塑性复合材料的方法。不适用于热固性材料。由于这种连接过程是通用的、经济的和快速的，它在几乎每个行业都很受欢迎，从儿童玩具到医疗设备的广泛应用。

超声波塑料焊接是一种锻造焊接工艺，加热零件，使其软化并流动，从而产生焊缝。相比之下，超声波金属焊接产生固态焊缝，而不熔化母材。超声波金属焊接已广泛应用于连接软材料，如铜和铝，应用范围从电子到航空航天和汽车。

焊接金属零件

超声波金属焊接应用机械振动平行于关节界面，在两个结合在一起的表面之间产生一种摩擦状的相对运动。这种运动使局部表面变形、剪切和变平，分散界面氧化物和污染物，在表面之间形成紧密的金属接触，从而形成固态焊缝。

超声波金属焊接应用广泛，应用于电子、汽车、航空航天、家电和医疗产品行业。尽管几乎所有的金属都可以用超声波焊接，但典型的应用包括各种铜、铝、镁和相关软金属合金，包括金和银。

许多不同的金属组合，如镍与铜或铝与钢，很容易用超声波焊接。焊接可以在板、薄板、箔、丝、带和相对平面之间进行。一种常见的用途是将几根绞合铜线连接起来或将绞合铜线焊接到一个端子上。超声金属焊接越来越多地应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，最容易归因于其优点。超声波金属焊接是一种固态、低热的工艺。对于热导率高的金属，如铝和铜，电阻点焊的使用是有限的，它是优秀的。该工艺通常用于涉及多层、不同厚度、不同材料和通过污染物和氧化物焊接的应用。

焊接周期很快，通常在0.5秒以下，而且过程很容易实现自动化。不需要填充金属、保护气体等消耗品。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。超声波焊接过程可重复性好，在6西格玛范围内。然而，不一致的部分将导致一个过程似乎是不可控的和不一致的。

超声波金属焊接确实有局限性。接头通常仅限于搭接。虽然几乎所有的金属都可以进行超声焊接，但焊接的厚度受电源和金属硬度的限制。一般来说，可焊厚度与硬度成反比。超声波焊接通常用于汽车用铝合金，最近已被证明适用于类似厚度的高强度钢。

因为这是一个固态过程，需要一定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，部件可能在可听频率较低的地方产生共振。

工具问题。 超声波金属焊接工具采用平行于接头界面平面的机械振动。工具包括焊接头和砧，它们通常有特定的形状被焊接的部分。焊接头可以是直接加工到声纳极或喇叭上的特征，也可以是螺栓连接到声纳极上的单独组件。将待焊接部件固定在刀尖和砧之间，使超声波能量集中在两部件的界面处。

夹紧力相当高，模具必须是刚性的，通过重复焊接循环有效地传递超声能量施加的夹紧力。此外，虽然超声波金属焊接是一个低热量的过程，零件不熔化，但焊接高强度金属时，接头在焊接周期中可以发出红热。在焊接过程中，工具材料必须不能粘在工件上。

超声波金属焊接在工装和工件之间的粘接是一个传统的挑战。因此，工具要求是非常严格的。工装必须具有较高的硬度以避免变形，良好的韧性以避免断裂，以及良好的高温强度。

变化。 最常见的超声波金属焊接系统产生局部超声波焊接，类似于点焊。将超声波能量应用到接头上有两种不同的系统，称为横向驱动和楔形簧片，但焊接处的振动力学是相同的。

与超声微键合紧密相关的过程，更确切地说是超声楔形键合，实质上是用于电子互连的小型超声点焊。扭转焊接也类似于点焊，但在这种情况下，传感器的布置使机械振动是角振动而不是线性振动。因此，刀具在零件上的运动是旋转的而不是直线的。因此，扭转焊缝在本质上是圆形的，非常适合用于焊接圆柱形容器上的铜和铝盖。

焊缝焊接使用与横向驱动点焊相同的技术，但工具是沿着接头表面滚动的实心轮。铝箔袋的密封密封是该技术的一种常见应用。一种叫做超声波增材制造的新技术是缝焊工艺的一种变体。这个过程将箔层焊接在自己身上，一次一个，形成一个坚固的结构。这种快速的原型制作过程结合了数控铣床的特点 原位 ．应用领域包括塑料注塑模具、金属复合装甲和航空航天结构的腐蚀修复。

焊接塑料部件

超声波塑料焊接采用垂直于接头界面的机械振动，通过接头界面处表面粗糙体之间的分子间摩擦产生热量。当这种热使界面的温度上升到软化温度以上时，聚合物开始流动，振动停止后产生熔焊。

非晶和半晶热塑性塑料都可以用超声波塑料焊接连接，但热固性聚合物不能。无定形聚合物的聚合物链是随机定向和缠绕的，导致在较宽的温度范围内软化。无定形聚合物链能够在其玻璃化转变温度以上扩散和流动。

优点和缺点。 超声波塑料焊接通常用于过于复杂的零件，无法成型为一个整体。快速焊接周期使此工艺成为生产的理想选择。这种工艺是最通用的，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测功能，使过程易于自动化和控制，同时仍然保持经济优势的许多竞争焊接过程。

超声波塑料焊接也有缺点。工艺参数如功率水平、焊接力、焊接时间和停留时间具有高度的相关性。材料的特性如熔点、熔体粘度和模量都影响接头的质量。并不是所有的零件几何形状都是可焊的，需要特定的接头设计。模制零件的尺寸公差是至关重要的。

半结晶聚合物具有区域定向分子。这些有序的结构需要高的热输入才能分离，它们在加热到熔化温度之前不会流动。需要更多的超声能量来熔化熔化或玻璃化温度较高的塑料。在焊接界面处，半结晶聚合物倾向于耗散能量而不是吸收能量。通常，焊接多晶聚合物比焊接非晶聚合物需要更高的振幅-更大的功率。

定位和关节。 在超声波塑料焊接中，零件的固定是成功的关键。事实上，夹具可能是超声焊接中最重要的元素，其设计也不可忽视。这在需要使用夹具进行快速装卸的应用中尤其具有挑战性。

超声波塑料焊接需要特定的接头设计，将超声波能量集中在小范围内，以高效、快速地促进聚合物流动。焊接前，零件应接触并能振动。在焊接过程中，必须控制接头的坍塌。必须密切注意尺寸公差。接头的设计取决于零件的要求、热塑性塑料的类型和零件的几何形状。

已经采用了许多技术来提高焊缝的一致性。最流行的方法是使用能量导向器，这是一个三角形的突出部分，被塑造在顶部焊缝表面。在焊接过程中，能量指示器的角度点具有最大的循环应变，以产生高水平的加热和促进熔化。

当能量总监在压力下融化时，它会向外流动。当能量导向器在焊接界面上扩散时，它接触到较冷的表面，导致加热速率降低。这减慢了融化速度和位移。最终，两个部分的表面都在接触和熔化速度增加，推动更多的熔化出焊缝。这促进了聚合物链在焊接界面上的纠缠，并创建了一个强大的键。当振动停止时，焊接部分在压力下冷却。

能量导向器只是超声波焊接中使用的几种接头设计之一。另一种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。然后，熔体帮助产生额外的熔体和焊缝。

它是如何工作的?

超声波焊接对被连接的部件施加小振幅高频机械振动。这些振动的振幅在5到400微米之间，频率在20到70千赫兹之间，这超出了我们的听觉范围。

无论是何种应用，所有超声波焊接系统都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;升压;声纳电极或喇叭;和一个铁砧。换能器由压电晶体组成。施加在压电晶体上的直流电压会使其膨胀或收缩，这取决于其极性。在超声波焊接中，来自电源的高频交流电压(从20到70千赫兹)会导致晶体交替膨胀和收缩，这就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声极或喇叭，两者都用于修改振动振幅，以满足特定的焊接要求。要焊接的部件通常由气动或电动伺服系统通过力固定在角和砧之间。机械振动的能量从喇叭传递到接头界面以焊接零件。特别重要的是要注意，在焊接塑料零件时，这些振动是垂直于接头平面的，而在焊接金属零件时，这些振动是平行于接头平面的。

喇叭将所有的焊接能量提供给零件，并在接合界面处加工最大限度地利用超声波能量。超声波塑料焊接角通常由钛或铝合金加工而成。为了最有效的能量传输，喇叭的末端被设计成与它接触的部件的几何形状相匹配。

喇叭设计是至关重要的，因为机械路径长度必须精确地调整到零件。调谐直接影响焊接质量，每个零件的设计都需要不同的超声波喇叭。正确的调谐保证了关节界面最大的能量吸收和最小的能量反射回电源，大大延长了设备的使用寿命。例如，在焊接塑料零件时，喇叭的长度可以等于超声波能量的一半或一个完整波长，这是由声音在喇叭材料中的频率和速度决定的。

根据不同的应用，通常有三种焊接方式。焊接单位可根据时间、能量或距离进行焊接。对于任何一种模式，适当的时间，距离或能量的值被编程到控制器中。当程序条件满足时，超声能量停止。

其他影响焊接质量和完整性的参数包括超声波频率、施加在零件上的力和振动幅度。任何参数的改变都会极大地影响焊接质量。无最佳超声频率;许多单位的工作频率接近20千赫兹。

超声波焊接要求特别注意零件尺寸和接头设计。事实上，焊接参数次于零件的几何形状。在超声波塑料焊接中，有特定的接头设计，这取决于零件的几何形状和材料。超声波金属焊接通常只能用搭接焊接和有限的厚度。

过程物理学是复杂的。通常采用大规模的试验设计或试错来确定焊接参数。在超声波焊接过程中，每种材料和接头的设计都会有不同的表现。