金属焊接(超声)

目录

  • 插图
    • 图 1. 超声金属焊机 — 典型设备构型
    • 图 2. 用于 Wedge-reed 焊机的可更换金属焊接端头
    • 图 3. 由两根竖直构件支撑的横向驱动金属焊接变幅杆
    • 图 4. 带整体焊接面的横向驱动钢制金属焊接变幅杆
    • 图 5. 带可更换垫圈式端头的横向驱动金属焊接变幅杆
    • 图 6. 横向驱动金属焊机的极轴安装座
    • 图 7. 采用挠性膜片和限位套环的刚性安装座
    • 图 8. 采用波节安装壳体的刚性安装座
    • 图 9. 微焊机(通常 > 60 kHz)
    • 图 10. 极轴安装式缝焊机
    • 图 A1. 可更换金属焊接垫圈式端头的尺寸
    • 图 A2. 带钎焊耐磨镶块的可更换金属焊接垫圈式端头的尺寸
  • 表格
    • 表 1. 工装材料性能(磨损与粘附)汇总
    • 表 2. 极轴安装式缝焊机的组成部件

超声金属焊接是通过施加剪切(摩擦搓动)模式的超声振动将两个金属零件连接在一起的工艺。超声振动会挤开两个零件界面处的表面氧化物和污染物,从而实现紧密的金属对金属接触,进而形成焊缝。焊接温度相对较低,不涉及熔化。

超声金属焊接最适合较软的金属(铝、铜、黄铜等),不过稍硬的材料(如钛)也可以焊接。硬度相近的异种材料也可以焊接(如铜与铝)。超声金属焊接可用于电阻焊难以胜任的高导电率材料。

点焊

图 1(Al‑Sarraf[1],第 9 页)展示了两种基本的金属焊接构型 — Wedge-reed(楔-簧片)系统和横向驱动系统。

超声金属焊机 — 典型设备构型
图 1. 超声金属焊机 — 典型设备构型

Wedge-reed 系统

Wedge-reed 系统由 Aeroprojects 开发(Jones[4] 专利 2,946,119,1960 年),目前由 Sonobond Ultrasonics(Aeroprojects 的继承者)使用。该系统的驱动部分由一个水平安装的换能器和一个楔形变幅杆组成;变幅杆钎焊在一根竖直安装的谐振簧片上。变幅杆激励簧片作弯曲振动,进而驱动安装在簧片自由端的可更换锥配合焊接端头(图 2)。所需的焊接力施加在簧片另一端的质量块上。

根据应用需要,该系统可以设计成带两根共线相对布置的簧片,其中一根充当砧座。二者反相工作,从而有效地将焊接振幅和可用功率加倍。

该系统以相对较高的力和较低的振幅工作。

用于 Wedge-reed 焊机的可更换超声金属焊接端头
图 2. 用于 Wedge-reed 焊机的可更换金属焊接端头

横向驱动系统

在开发 Wedge-reed 系统之后,Aeroprojects 随后又开发了横向驱动系统(Jones[5] 专利 3,209,447,1965 年)。Branson Ultrasonics 后来开发了一种在波腹处采用弯曲谐振支撑构件的横向驱动系统(Shoh[1] 专利 3,752,380,1973 年,图 3)。该系统的进一步发展和变型(尤其是安装方式方面)至今仍在使用。

由两根竖直构件支撑的横向驱动超声金属焊接变幅杆(Shoh 专利 3,752,380)
图 3. 由两根竖直构件(30' 和 32')支撑的横向驱动金属焊接变幅杆(16)
(Shoh[2] 专利 3,752,380)

变幅杆可以是实心的(通常为淬硬钢,图 4),也可以带可更换的多瓣焊接端头(Holze[1] 专利 3,813,006;见图 5 和附录 A;另见安装设置)。超声叠堆通常安装在某种圆柱形壳体内(例如图 6 的极轴安装座),使叠堆可以绕其(极)轴旋转,从而使多瓣端头相对于工件正确定向。由于其轴对称性,这种布置也很适合缝焊。(注意 — 图 6a 中增幅杆的方向画错了,螺柱应朝向换能器。)

双驱动

带整体焊接面的横向驱动钢制超声金属焊接变幅杆(Stanasel)
图 4. 带整体焊接面的横向驱动钢制金属焊接变幅杆
(Stanasel[1],第 53 页)

 

带可更换垫圈式端头的横向驱动超声金属焊接变幅杆(Holze 专利 3,813,006)
图 5. 带可更换垫圈式端头的横向驱动金属焊接变幅杆
(Holze[1] 专利 3,813,006)

 

横向驱动超声金属焊机的极轴安装座 — 部件(Shoh 专利 3,955,740)
图 6a. 部件
横向驱动超声金属焊机的极轴安装座 — 装配状态(Shoh 专利 3,955,740)
图 6b. 装配状态
图 6. 横向驱动金属焊机的极轴安装座
(Shoh[3] 专利 3,955,740)

系统比较

焊接质量

焊接质量由许多因素决定(其中重要的是电源的过程控制,但这超出本讨论范围)。两种系统略有差异的一个方面是端头运动的施加方式。在两种系统中,端头都对工件施加剪切运动。然而,Wedge-reed 端头还因簧片的弯曲而带有一些摇摆运动。目前尚不清楚这会在多大程度上影响(可能改善)焊接质量。

振幅塌陷?

夹紧力

根据 Sonobond 的产品资料,"Wedge-reed 系统的特点是振动振幅低、振动力高,适合焊接金属。"相比之下,"横向驱动系统的特点是振动振幅高、振动力低,适合焊接塑料。""由于(横向系统的)悬臂结构,夹紧力施加在距焊缝一定距离处,在耦合件上产生弯矩,从而限制了静态力。这使得横向驱动系统无法为镀锡或氧化的导线和端子焊出合格的焊缝。"

注意 —  横向驱动系统的特征是变幅杆相对于被焊零件的取向,而不是变幅杆的支撑方式。

横向驱动支撑系统

Shoh 专利 3,752,380(图 3)展示了一种横向驱动系统,其中带焊接端头(40)的变幅杆(16)被支撑在两根竖直(弯曲谐振)构件(30 和 32)之间。在这种布置中,端头上没有弯矩。因此,允许的夹紧力仅受支撑构件强度的限制。(另请参阅 — Jones[5] 专利 3,209,447,该专利讨论了同一问题;Roberts[3] 专利 6,078,125,此处有讨论。)

在变幅杆悬臂安装的横向驱动系统中(图 1,下图;图 5),夹紧力会使焊接端头产生竖直方向甚至水平方向的挠曲。由于悬臂结构,竖直挠曲会使端头的焊接面相对于砧座略微倾斜(如同张开一把剪刀)。挠曲量及由此产生的错位程度取决于叠堆和支撑结构的刚度,也取决于夹紧力。

对于许多应用(例如管子封口),这种挠曲不会造成问题。此外,如果端头带有圆角,由于端头基本上是自定向的,这可能也不是问题。然而,某些应用(如导线搭接和导线端接)可能需要更严格的对中。例如,Patrikios[1] 专利 8,113,258 指出"焊接端头的位置必须保持在 3 微米(0.001 英寸)以内"(第 1 栏,第 42 行)。(注意,3 微米(3*10-6 m)换算为 0.0001 英寸而非 0.001 英寸,因此该规定要求并不明确。不过,无论哪个要求都相当严格。)

当变幅杆悬臂安装时,有一些方法可以减小变幅杆的竖直挠曲。

  • 使用非常刚性的支撑。例如,Patrinkios[1] 专利 5,772,100(图 7)展示了一种设计,其套环(102)通过表面 108 抵在变幅杆的波节上。该套环保持固定,使表面 108 限制变幅杆的竖直挠曲。套环通过位于变幅杆波腹处的膜片(100)与变幅杆在超声上隔离,类似于 Shoh[3] 专利 3,955,740 的极轴安装膜片。(有趣的是,Partikios 专利并未将 Shoh 专利引为现有技术。)与极轴安装座一样,该设计不限制变幅杆的横向(轴向)运动。与极轴安装座相比,该设计还有三个额外的优点 —
    • 在极轴安装座中,增幅杆必须调谐到能装入壳体长度之内,或者反过来,壳体必须加垫片以适配现有增幅杆的长度。由于 Patrikios 设计不使用后部膜片,其增幅杆长度不受限制。因此,任何现成的商用增幅杆都可以使用。
    • 在极轴安装座中,增幅杆直径受壳体内径限制。由于 Patrikios 设计没有包围增幅杆的壳体,其直径不受限制。
    • 由于只需要一个反波节膜片,增幅杆可以取消,叠堆可以做得更短。这以变幅杆的增益足以在换能器直接驱动时提供所需焊接振幅为前提。
    • 另一方面,如果该设计如图 7 所示(即表面 108 之后的任何表面都超出 108 的直径),那么只有将套环从膜片上完全拆开才能更换变幅杆。由于极轴安装座在变幅杆周围没有套环,变幅杆可以方便地更换,并且可以使用任意直径的变幅杆。
  • 在另一种安装布置中,Patrikios[1] 专利 8,113,258(图 8)同时限制焊接端头的横向和侧向挠曲。壳体(28)刚性地安装在全波变幅杆(17)上的两个波节(锥部 18a 和 18b)之间。这取消了极轴安装座中稍显柔性的膜片及相关的连接结构,否则会增大弯曲柔度。
  • 为变幅杆和/或增幅杆选用高刚度材料。例如,钢的杨氏模量几乎是钛的两倍。但请注意,钢在高振幅下损耗较大,必须加以考虑。也可以使用 Monel(蒙乃尔合金)。
  • 为隔振膜片选用高刚度材料。通常使用钛,但如果疲劳寿命可以接受,也可以改用钢。(最初的极轴安装膜片是按 20 kHz 下 10 微米峰值振幅设计的。然而,当时没有借助有限元分析进行应力分析(Culp[0]),因此安全系数未知,但可能很大。)

上述内容说明,横向驱动焊机完全可以采用非常刚性的安装座。因此,只要设计得当以限制挠曲,横向驱动系统在承受高夹紧力的能力方面并不天然劣于 Wedge-reed 系统。

采用挠性膜片和限位套环的刚性(超声)安装座 — 部件(Patrinkios 专利 5,772,100)
部件
采用挠性膜片和限位套环的刚性(超声)安装座 — 剖面图(Patrinkios 专利 5,772,100)
剖面图
图 7. 采用挠性膜片(100)和限位套环(102)的刚性安装座
(Patrinkios[1] 专利 5,772,100)

 

采用波节安装壳体的刚性(超声)安装座(Patrinkios 专利 8,113,258)
图 8. 采用波节安装壳体(28)的刚性安装座
(Patrinkios[2] 专利 8,113,258)

夹紧力示例

所需的夹紧力取决于具体应用。下面给出一些选定的示例。

焊接端头振幅的可调性

横向驱动系统允许使用不同增益的变幅杆和增幅杆。这样就可以通过这些部件以机械方式调整焊接端头的振幅(而不是通过电源调整),从而在需要时让电源以接近满功率运行。Wedge-reed 系统似乎不允许这类替代配置。

焊接面通常(但非必然)带有锯齿花纹,以便"咬住"金属工件。存在的问题包括焊接面与工件之间的粘附("粘连")以及锯齿的磨损。由于 Wedge-reed 系统振幅较低,这些问题可能得到缓解。

安装设置

大多数横向驱动系统使用可更换的垫圈式端头(图 4)或带整体焊接面的变幅杆(图 4),而不是竖直取向、通过拧入、压入或类似方式安装的端头(图 3,零件 40)。当这类系统中的焊接面需要清理或更换时(例如因粘连或磨损),新焊接面最初通常不会与工件表面平行。如果这种定向偏差很大,则必须将整个超声叠堆绕其轴线旋转,以获得正确的取向。(对于可更换垫圈式端头,可以通过在安装时使用对中夹具来减轻这一问题。或者,可以将端头与变幅杆键连接 — 见 Patrinkios[2] 专利 8,113,258。)相比之下,Wedge-reed 端头的焊接面始终与砧座平行,因此更换端头时无需调整。

Wedge-reed 焊接端头带有外莫氏锥度,压入竖直簧片上的内锥孔中。(莫氏锥度具有自锁性,锥角约为 3°。)因此在安装过程中,端头可以绕其轴线旋转以对正砧座的定位夹具。这使得夹具可以相对于操作者或工件调整到最佳位置。对于横向驱动系统,端头相对于变幅杆的取向是固定的,因此定位夹具必须相对于固定的端头来定向,这可能不是定位夹具的最佳取向。

可达性

喉深。Wedge-reed 焊机在焊接端头与砧座之间采用 C 形钳式布置。这种 C 形钳的喉深可以做得相当大(仅受刚度考虑的限制),因此可以焊接横向尺寸较大的零件(如板材零件)。事实上,如果焊接头和砧座安装在各自独立的滑车上,工件尺寸将仅受滑车行程长度的限制。在横向驱动系统中,工件的横向尺寸受变幅杆或隔振安装座可能干涉的限制。

伸入深度。如果必须在型腔内部进行焊接(例如在罐底),则 Wedge-reed 焊机凭借其较大的伸入深度具有优势。(这以横向驱动系统的焊接面未按弯曲振动设计为前提 — 例如图 9 的微焊机。)从理论上讲,只需在簧片上增加额外的弯曲半波,即可增大 Wedge-reed 焊机的伸入深度。

超声微焊机(DeAngelis 专利 7,137,543 B2)
图 9. 微焊机(通常 > 60 kHz)
(DeAngelis[4] 专利 7,137,543 B2)

维护与磨损

对于图 5 的横向驱动系统,变幅杆通常由 Ti-6Al-4V 制成。在高超声焊接负载下,变幅杆上与端头焊接瓣相邻的表面可能会劣化。Branson Ultrasonics 通过将材料从 Ti-6Al-4V 更换为 Ti-7Al-4Mo 缓解了这一问题。另一种解决方案是用淬硬钢变幅杆替代钛变幅杆。

或者,横向驱动系统可以采用带整体焊接面的实心钢变幅杆(如图 4)。但这样一来,当焊接面磨损到无法修复时,就必须更换整个变幅杆。Wedge-reed 系统不存在这些问题,因为端头和簧片均由淬硬钢制成,且锥配合端头可以方便地更换。

适应性

增加轴承和滑环后,横向驱动系统可以改装为旋转焊机(图 10)。Wedge-reed 系统则无法实现这一点。

焊缝长度。

工装

工装材料

良好的工装材料应具备以下特性 —

  • 高耐磨性。高耐磨性通常表现为高韧性与高硬度的结合。这些性能必须在焊接高温下得以保持。
  • 不粘连。工装不应与工件粘连或结合。(这部分取决于工装工作面的设计 — 例如锯齿花纹。)
  • 合理的损耗。如果端头工装与变幅杆是一体的(图 4),则变幅杆在焊接振幅下的损耗必须合理。(参见钢的损耗。)

注意,工装性能既取决于工装材料本身,也取决于其与工件材料的相互作用。因此,与某种工件材料配合良好的工装,未必能与另一种工件材料配合良好(见表 1)。关于硬度,Bloss[1](第 96 页)发现:"所需工装硬度与焊接材料硬度之间的关系并不明确。"例如,考虑 SS 304 工件的焊接(表 1)— 锻态钨(HV 356)的表现为"一般",而 M2(HV 926;硬度为其 2.6 倍)的表现却为"差"。

下面一节讨论几种已就其磨损与粘附性能进行过超声工装评估的材料。这份材料清单并不全面,因此其他(可能更好的)材料也可能适用。

表 1 汇总了 Bloss[1](第 89 页)所研究的各种工装材料的磨损与粘附情况。

表 1. 工装材料性能(磨损与粘附)汇总
工件
材料
M2
(HV 926)
350M
(HV 778)
Elkon 100W
(HV 432)
锻态钨
(HV 356)
W-25Re
(HV 509)
W-La
(HV 440)
TZM
Al 7075 好 好 ——— ——— ——— ———  
工业纯钛 一般 好 ——— 一般 ——— ——— 一般
Ti-6Al-4V 一般 差 ——— 一般 ——— ——— ———
SS 304 差 较差 ——— 一般 一般 ——— 较差
SS 410 ——— 较差 一般 一般 一般 好 ———
Ni 625 差 较差 较差 较差 ——— ——— ———
Ni 718 ——— 差 较差 较差 ——— ——— ———

表注 —

  1. 除另有注明外,以下引用均出自 Bloss[1],更多信息见该文献。Bloss 指出:"由于各工具所焊材料不同、试验中采用的焊接参数不同,以及每个工具所承受的焊接循环次数不一致,很难比较这些工具的性能。"
  2. HV = 维氏硬度;见 Bloss 表 3,第 46 页。
  3. 斜体材料已显示出良好前景,或已用于搅拌摩擦焊(FSW),其要求与超声金属焊接相近。
  4. AISI M2(5% Mo、6% W、2% V)因其高硬度和良好的耐磨性而成为最常用的工装材料。然而,M2 中的钒成分容易与铝工件形成化合物,从而加剧端头粘连。此外,焊接钛等先进材料时,M2 工具磨损很快,且容易与某些材料结合。(第 28、70 页)从 1200°C 淬火硬化至 60-65 RC;不回火。(第 61 页)HV 926。
  5. 350M = AISI 18Ni 马氏体时效钢(18% Ni、12% Co、4.8% Mo)。在焊接 AHSS(先进高强度钢)和 UHSS(超高强度钢)时,350M 制成的端头比 M2 具有更好的寿命和耐磨性。(第 28 页)焊接工业纯(CP)钛时表现良好,但与其他工件材料焊接时存在端头粘连问题。(第 71 页)在 500°C 下沉淀硬化 8-12 小时。(第 61 页)HV 778。
  6. Elkon 100W = 纯钨粉压制烧结锭,随后经轧制和旋锻加工。(第 45 页)钨颗粒之间的结合强度不足。(第 76 页)HV 432。
  7. 锻态钨 = 纯锻造钨,由于变形量和机械加工量增大,其强度和延性优于 Elkon 100W。(第 45 页)然而,纯钨在室温下的延性仍然较差(第 27 页),因此又试用了 W‑25Re 和 W‑La 合金。HV 356。
  8. W‑25Re = 钨-25% 铼。与纯钨相比延性和强度有所提高。(第 27 页)具有极高的强度和耐腐蚀性。(第 45 页)HV 509。
  9. W‑La = 专利钨-镧合金。得益于合金元素以及更多的锻造和旋锻加工,其延性似乎有所改善。(第 86 页)HV 440。
  10. 钨及其合金价格昂贵,且难以用常规方法加工。此外,这些材料密度很高,整体式端头会太重,无法在超声焊接设备允许的频率范围内工作。出于这些原因,将这些材料制成小镶块钎焊到 M2 焊接端头毛坯上。(第 59 页)然而,钎焊接头存在问题。(第 90 页)W‑La 镶块最初用 Incusil ABA 钎焊箔钎焊,但钎焊接头在焊接过程中失效。后来的镶块改用 BNi‑9(一种更高温度、更高强度的钎焊合金)钎焊,效果更令人满意。(第 104 页)
  11. T1 工具钢(上表未列出)也经过了测试,但其性能不及 350M 工具钢。(第 28 页)
  12. 陶瓷硬度很高,但韧性差。(第 30 页)

Sonobond 向 Stittsworth[1](第 12 页)推荐用 Udimet 700 焊接(与铝和铜相比)"较硬"的材料。砧座淬硬至 HRC 60–64(第 30 页)。(注意 — 这一 1973 年的建议可能已经过时。)

Branson 的韧性"陶瓷"镶块。

工装花纹

滚花。Bloss[1](第 27 页)建议,对于较厚规格的先进合金焊接,采用约为材料厚度 ½ 的(双向)滚花花纹。所得凸滚花(棱锥)的尖点被磨平。在滚花底部添加小圆角以改善疲劳性能。(第 71 页)

Liesegang[1A] 评估了用于钛材旋转缝焊的棱锥形滚花和单向滚花。对焊接过程中滚花应力的有限元分析表明,单向滚花的平均 von Mises 应力是棱锥形滚花的三倍。(第 11 页)棱锥形端头滚花在焊接试样中也获得了更高的接头强度。(第 15 页)

纹理。Bloss[1](第 89 页)提出,在可以施加高夹紧力的场合(即焊接功率充足、不会发生失速的场合),也许可以采用无滚花工具。这样可以更好地控制磨损,并且可以定期修磨端头。Bloss 还报告说,圆顶形端头通常是合适的,其圆顶半径应为试样厚度的 50 至 100 倍。

Stittsworth[1](第 12、25 页)使用电火花加工(EDM)制作带纹理的焊接面(250 RMS 光洁度)。所得端头用于 Sonobond 的 Wedge-Reed 设备,焊接薄(约 0.13 mm)铜、铝带材和导线。

机加工

某些工装材料可能难以用"常规"方法加工。对于这些材料,Bloss[1] 采用了激光加工、磨削和 EDM(电火花加工)。

焊接振幅

Bloss — 58 微米

缝焊

本文中,缝焊定义为变幅杆与工件彼此相对运动、从而形成连续或半连续焊缝的焊接方式。在典型布置中,整个超声叠堆旋转,由圆柱盘形或圆柱形变幅杆完成焊接。不过,也可以采用不旋转的变幅杆,尤其是焊接箔材时。设备可以设计成变幅杆在工件上方移动,也可以让工件在固定的变幅杆下方移动,类似于缝纫机的工作方式。焊缝可窄可宽。

如果超声叠堆必须旋转,则横向驱动系统可以通过增加轴承和电滑环来改装(例如图 10)。Wedge-reed 系统无法改装。

注意 — 缝焊要求焊接面的径向跳动保持相当小。在图 10 的极轴安装设计中,由于变幅杆(52)与膜片(39a)之间以及膜片(39a)与壳体(28)之间各界面存在公差累积,这一点较难做到。图 8 的设计取消了膜片,更为适合。

极轴安装式超声缝焊机(Shoh 专利 3,955,740)
图 10. 极轴安装式缝焊机
(Shoh[3] 专利 3,955,740)
表 2. 极轴安装式缝焊机的组成部件
编号 说明
16 换能器
18 增幅杆
20 变幅杆(钟形)
28 极轴壳体
38, 40 端盖
39A, 39B 膜片(调谐)
44 轴承
52 焊接面

如果上层工件相对较薄(例如箔材),则变幅杆的焊接面可以是光滑的,也可以带有轻微的蚀刻或纹理图案。对于较厚的工件,变幅杆的焊接面可能需要更具"侵略性"的花纹。

变幅杆

在叠堆设计成旋转的场合,变幅杆既可以是常规谐振器的改型,也可以按某种弯曲模态振动来设计。

另请参阅 — 超声增材制造(UAM)。


附录 A:20 kHz 金属焊接端头尺寸

本附录给出图 5 所示 Holze[1] 专利 3,813,006 的典型 20 kHz 金属焊接端头尺寸(引自 Bloss[1])。端头的滚花花纹和焊接瓣形状取决于具体的焊接应用。

机械图纸 - 可更换超声金属焊接垫圈式端头(Holze 专利 3,813,006)
图 A1. 可更换金属焊接垫圈式端头的尺寸
(Holze 专利 3,813,006)
机械图纸 - 带钎焊耐磨镶块的可更换超声金属焊接垫圈式端头(参见 Holze 专利 3,813,006)
图 A2. 带钎焊耐磨镶块的可更换金属焊接垫圈式端头的尺寸
(参见 Holze 专利 3,813,006)