超聲波金屬焊接設備的案例
電動汽車連接線束銅線鋁線超聲波焊接機設備介紹
電動汽車連接線束銅線鋁線超聲波焊接機適合焊接鋁和鎳、鎳和銅箔、鋁和鋁箔、多層銅箔、多層鋁箔、多層銅網、多層鋁網、鋁蓋板和鋁條、鋁鎳復合帶和鋁蓋板、鋁殼底部和鋁鎳復合帶雙點，80層銅箔、100層鋁箔、多層銀片、多層鎳片等產品。
結構組成：主要有機架、換能器系統、機頭、超聲波發生器等主要部件組成。
把高頻電能通過換能器轉換成機械振動能作用于金屬線束上，當振動摩擦生熱的溫度到達線束金屬熔點時，線束就會熔化，并且線束在融合的同時線束焊接裝置會施加一定的壓力，最后線束焊接裝置移開并停止機械振動，就會形成線束焊接效果。
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淺析汽車線束在超聲波焊接后的撕裂力
在沃爾沃汽車線束制造過程中，三根0.35 mm2 的電線需要以1+2 的結構用超聲波進行導體焊接，其排列方式見圖2(中間為焊接區，兩邊是電線) 。
圖2 三種焊接電線的排列方式
取型號、規格、顏色一樣的電線分三組，在同樣的焊接工藝參數情況下，分別按圖2 所示的a、b、c三種排列方式進行超聲波焊接，各測20 個撕裂力數據(同一側兩根電線之間的撕裂力) ，結果見表3。
表3 不同排列方式的撕裂力數值( 單位: N)
由表3 可看出，a 排列方式焊接后的撕裂力普遍較小，甚至有部分小于標準( 12 N) 的要求; b 排列方式焊接后的撕裂力相對穩定，但操作不方便，焊接時需將一根電線插入到另外兩根電線的中間; c 排列方式焊接后的撕裂力全部符合要求，且比較穩定。
這主要是因為超聲波震動是由焊頭產生的，其能量是從焊頭傳遞到鐵砧頂塊的，故越靠近底部的焊頭，能量就越大，越容易造成過焊情況; 另外，焊頭附近容易堆積熔融物、灰塵等，也會影響導體焊接的效果。
因此，在超聲波焊接時，采用c 排列方式，可以達到最佳的焊接效果。多根相同截面的電線在超聲波焊接時，有撕裂力要求的兩根電線應放在中上層位置; 不同截面的電線在進行超聲波焊接時，應將截面大的電線依次放在最下層，截面小的電線依次垂直向上排列，從而防止過焊或焊接不足。
2.3 導體表面附著物的處理
由于超聲波焊接是將超聲波傳到金屬表面，在壓力作用下，通過導體表面相互摩擦形成分子層之間的熔合。如果導體表面有油污、氧化、雜質等，焊接質量將受到很大影響。
(1) 單絲表面殘留的潤滑液。
導體絞合前的單絲在生產時應盡量將拉絲液或退火液的濃度控制在工藝范圍的下限，以減少單絲表面殘留的潤滑液。
展開 超聲波焊接在汽車線束生產中的應用
而這些空洞的存在，必然導致壓接部位電阻系數增加，導電性下降，從而影響電流和信號的傳輸質量，進而影響其他電器及電子設備的正常工作。同時，線束制作過程中因壓接引起的質量缺陷[2]，必將導致使用耐久性降低，并且易發熱產生高溫，形成線束燒損質量隱患點。
2 超聲波壓接和端子壓接工藝對比分析
超聲波壓接是通過電晶體功能設備將工頻50/60 Hz的電頻轉變成20 kHz或40 kHz的高頻電能，供應給轉換器，轉換器將電能轉換成高頻機械振動能，調壓裝置將高頻機械能傳至超聲波焊接機的焊頭。振動通過焊頭傳遞到需要焊接的兩個金屬表面，兩個金屬表面相互摩擦形成熱能使金屬熔化，在短暫的壓力下可以使熔化物在粘合面固化時產生強分子鍵， 終形成金屬分子層之間的熔合，整個周期通常是不到一秒種便完成，但是其焊接強度卻接近于一塊連著的材料。而傳統的端子壓接是通過金屬端子的U型部位對電線銅絲進行簡單物理擠壓，利用相鄰銅絲之間的表面摩擦力來保證電線與端子之間的連接。
事實上，無論是經超聲波壓接的導線還是端子和導線，在壓接處呈矩形狀，無松散的芯線和斷頭或裂開的芯線；而且，導線沒有彎曲，而是在自熔合處呈直線引出。超聲波焊接是通過相鄰金屬表面熔化，形成金屬分子層之間的熔合，相當于將相鄰金屬熔為一個整體，相比端子壓接后相鄰銅絲仍為獨立金屬個體而言，焊接部位的密實度更好，不會出現空洞。導電性好，電阻系數極低或近乎于零，有效提高了使用耐久性，不易發熱，無質量隱患。如圖1所示，為超聲波壓接截面[1]。
3 超聲波壓接和端子壓接的試驗數據分析
在進行壓接處外觀對比和截面分析基礎上，筆者對兩種壓接工藝的導線進行了拉脫力和導電性能測試。測試分別選取了0.75mm2、4.0 mm2、16.0 mm2導線進行試驗。
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塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
以上塑膠焊接的方法中，應用最多的是超聲波焊接，這是因為其有非常高的焊接效率，超聲波焊接的整個過程在短短幾秒完成，與其他焊接方式相比，無需事先加熱工具，也無需長時間等待接頭固化或干燥。
03 超聲波焊接的原理
超聲波：是指頻率超過人耳聽覺范圍上限（20000Hz）的聲波。由于其頻率高，因而具有許多特點：首先是功率大，其能量比一般聲波大得多，因而可以用來切削、焊接、鉆孔等。
圖：超聲波的頻率范圍
超聲波焊接所用的設備是超聲波焊接機，其結構組成如下圖：
圖：超聲波焊接機的組成
塑膠超聲波焊接的過程：
首先，超聲波發生器將50 Hz或60 Hz電能轉換成 20~40 kHz的電能，被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械振動，由于此時的機械振動不會產生足夠的振動能量來使得塑膠件的焊接部位產生熱量融化，隨后機械振動再通過一套可以改變振幅的變幅器，機械振動的振幅被放大并傳遞到焊頭。
圖：超聲波焊接機的結構簡圖
然后，焊頭將接收到的高頻振動傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區域即兩個焊接的交界面處由于振動引起摩擦，因此會產生局部高溫，由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，當溫度達到此塑膠件本身的熔點時，兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，熔化的塑膠填充于接口間的空隙，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，形成牢固的結合。
圖：塑膠焊接結合的過程
超聲波焊接的優缺點：
在實際應用中使用超聲波焊接工藝有幾個吸引人的好處；但是，在使用超聲波焊接工藝之前必須了解這項技術的優缺點。
1、優點：
1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在幾秒之內完成；
2)成本低。
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在沃爾沃汽車線束制造過程中，三根0.35 mm2 的電線需要以1+2 的結構用超聲波進行導體焊接，其排列方式見圖2(中間為焊接區，兩邊是電線) 。
圖2 三種焊接電線的排列方式
取型號、規格、顏色一樣的電線分三組，在同樣的焊接工藝參數情況下，分別按圖2 所示的a、b、c三種排列方式進行超聲波焊接，各測20 個撕裂力數據(同一側兩根電線之間的撕裂力) ，結果見表3。
表3 不同排列方式的撕裂力數值( 單位: N)
由表3 可看出，a 排列方式焊接后的撕裂力普遍較小，甚至有部分小于標準( 12 N) 的要求; b 排列方式焊接后的撕裂力相對穩定，但操作不方便，焊接時需將一根電線插入到另外兩根電線的中間; c 排列方式焊接后的撕裂力全部符合要求，且比較穩定。
這主要是因為超聲波震動是由焊頭產生的，其能量是從焊頭傳遞到鐵砧頂塊的，故越靠近底部的焊頭，能量就越大，越容易造成過焊情況; 另外，焊頭附近容易堆積熔融物、灰塵等，也會影響導體焊接的效果。
因此，在超聲波焊接時，采用c 排列方式，可以達到最佳的焊接效果。多根相同截面的電線在超聲波焊接時，有撕裂力要求的兩根電線應放在中上層位置; 不同截面的電線在進行超聲波焊接時，應將截面大的電線依次放在最下層，截面小的電線依次垂直向上排列，從而防止過焊或焊接不足。
2.3 導體表面附著物的處理
由于超聲波焊接是將超聲波傳到金屬表面，在壓力作用下，通過導體表面相互摩擦形成分子層之間的熔合。如果導體表面有油污、氧化、雜質等，焊接質量將受到很大影響。
(1) 單絲表面殘留的潤滑液。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（中）
圖：鑿子型超聲線
4）超聲波焊接的配合結構
a）普通型
在實際的應用中，普通的超聲波焊接配合結構較簡單，存在一定的缺陷，有一定的風險產生溢膠，同時沒有止口限位，容易產生斷差，不能很好滿足外觀要求。(下圖為普通型超聲波焊接配合結構的簡圖，超聲線的尺寸可按上述介紹參考設計)
為了解決溢膠和斷差問題，以下有三種改善結構（較適用于一些高度較小的端蓋型零件焊接）：
圖1：有內部圍邊自定位，斷差可以得到一定改善，但是還是存在在外觀面溢膠風險。
圖2：有外部圍邊自定位，斷差得到改善（即使有在外觀上也不明顯），溢膠面在內部，外觀無溢膠。
圖3：有內外圍邊自定位，斷差得到改善，同時內部和外觀都無溢膠。
這種普通的超聲波焊接配合結構，其優點是，由于不在外壁上設計止口，壁厚均勻性好，因此，除了應用在端蓋型產品焊接上，也適用于小型產品，這類產品壁厚本來就小，再切止口容易產生應力痕等外觀缺陷。比如，在蘋果公司的專利中，發現一項“無縫一體式結構”的專利，描述了如何將不同的零件焊接在一起以獲得無縫的外觀。
具體是對超聲波焊接后產生的溢出焊接環進行切割、打磨、拋光和清潔等工序后，可以制造出具有無縫、更美觀的“一體成型”外觀的耳機。
但是蘋果公司的設計成本高，一般的產品還是回歸常規設計，以下介紹幾種較常用的超聲波焊接配合結構。
b）階梯型
階梯型由于是在單止口的基礎上設計的，所以也叫單止口型。
優點：
配合面采用止口式設計，可實現自定位，減少零件在焊接過程橫向移動，減小外觀斷差，通過設計美工線，即使有輕微變現，斷差也不明顯。
如有溢膠產生，也是在產品內側產生，不會在產品外側殘留，保證外觀質量。
展開 技術 | 一文秒懂超聲波焊接
一、超聲波焊接原理
超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。
一套超聲波焊接系統的主要組件包括超聲波發生器/換能器/變幅桿/焊頭三聯組/模具和機架。
超聲波焊接是通過超聲波發生器將50/60赫茲電流轉換成15、20、30或40 KHz 電能。被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械運動，隨后機械運動通過一套可以改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區域，振動能量被通過摩擦方式轉換成熱能，將需要焊接的部件區域熔化。超聲波不僅可以被用來焊接金屬、硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜等。本片文章主要介紹金屬和塑料焊接兩種。
1）超聲波金屬焊接原理
超聲波金屬焊接原理是利用超聲頻率（超過16KHz ）的機械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法．金屬在進行超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力之下，將框框振動能量轉變為工件間的摩擦功、形變能及有限的溫升．接頭間的冶金結合是母材不發生熔化的情況下實現的一種固態焊接．因此它有效地克服了電阻焊接時所產生的飛濺和氧化等現象．超聲金屬焊機能對銅、銀、鋁、鎳等有色金屬的細絲或薄片材料進行單點焊接、多點焊接和短條狀焊接．可廣泛應用于可控硅引線、熔斷器片、電器引線、鋰電池極片、極耳的焊接。
2）超聲波塑料焊接原理
超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。
展開 經典模擬案例9-超聲波焊接（結果展示）
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展開 導線與端子超聲波焊接標準USCAR-38解讀
1.1超聲波焊接特性
1.1.1線到端子超聲波焊接性能特性如下：
1.拉力和剝離力衡量機械性能
2.導線到端子的電阻或電壓降衡量電性能
3.外觀通過以下內容判定：
1.1.2設備能力
驗證過程僅適用于直線超聲波焊接設備，該設備可以根據反饋對壓力/能量/振幅設置和輸入/焊接時間進行控制，以確保能量恒定。若使用的設備和標準規定的不一樣，則本標準可能不適用。這種情況下供應商需聯系客戶咨詢如何對焊接進行驗證。
二、外觀驗收標準：
所有提交的樣品必須滿足下面標準要求/表4.2.5 和圖4.2.5 中的要求。
1. 基本外觀和功能
焊接工序不允許影響端子或插件功能（焊接不允許造成導線和護蓋、孔式端子
或下道工序附件的干涉）。
2. 導線末端
a. 導線芯絲不能和與之連接的零部件、器件或端子發生干涉。如果有防水要求，
防水件決不能受到芯絲損壞（可以要求對剝頭長度進行控制以防止防水件損
壞）。芯絲翹起不能影響或刺穿保護套管。
b. 導線芯絲不允許與之焊接的部件發生干涉，也不允許焊接區域和絕緣末端之間的裸線發生短路。
c. 剝頭長度需合理，焊接區域不允許出現絕緣皮，必須確保所有芯絲末端穿過焊接區域。
3. 絕緣壓接
絕緣壓接（如果有的話）必須滿足SAE/USCAR-21 4.2.5#8 中的基本外觀要求以及4.3.5#3 中的剖面要求。（絕緣壓接可以給焊接提供應力消除，線徑≤6mm2 的端子制造商提供的端子需要有絕緣壓接翼。絕緣壓接翼可以將焊接和未焊接芯絲之間的最高應力點移出焊接區域。）
4. 焊接前的導體外觀
測試用的芯絲必須能反映生產中的最壞條件（也就是測試最壞情況）。允許漏芯絲的情況必須清晰注明在報告中。一般而言，只要客戶許可，大線徑上可以允許漏芯絲。
5.
展開 超聲波焊接在汽車線束加工中應用
1
超聲波焊接在汽車行業的發展
1955年美國航空部在登月項目中由美國Sonobond公司前身AerospaceProject發明超聲波金屬焊接技術。
80年代后，超聲波金屬焊接技術就廣泛應用于線束焊接（重點是汽車行業的低壓及通訊線束）。小于30mm2的銅線與銅線焊接。
2016年以后，由于電動汽車行業的變革，高壓線在汽車里應用已成為非常重要的領域。
【端子】高壓連接器之超聲波焊接的技術詳解
接頭間的冶金結合是母材不發生熔化的情況下實現的一種固態焊接。因此它有效地克服了電阻焊接時所產生的飛濺和氧化等現象。
超聲金屬焊機能對銅、銀、鋁、鎳等有色金屬的細絲或薄片材料進行單點焊接、多點焊接和短條狀焊接。這種焊接方式具有焊接時間非常短和高成本效益的特點。
金屬焊接優缺點
超聲波金屬焊接的優點在于快速、節能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態加工；缺點是所焊接金屬件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊點位不能太大、需要加壓。
（某款超聲波焊接機）
超聲波金屬焊接是一種機械處理過程，在焊接過程中，并無電流在被焊件中流過，也無諸如電焊模式的焊弧產生。
由于超聲焊接不存在熱傳導與電阻率等問題，因此對于有色金屬材料來說，無疑是一種理想的金屬焊接設備系統，對于不同厚度的片材，能有效地進行焊接。
焊接技術 VS 壓接技術
目前，部分企業經過反復驗證，開發的連接配對技術能有效規避超聲波焊接的技術缺點，于此同時在生產環節設置高效的質量檢測體系，保障了產品優異的性能指標。
展開 TPU或EVA膠膜超聲波搭接焊接機
TPU或EVA膠膜超聲波搭接焊接機效率快，母材本體熔合，強度接近原材料，無耗材，無VOC排放。適用PBT，PA66，ABS，PC，PP，亞克力，PU，PS，POM，PPO，PPE，PTFE，PE等多種塑料材料的焊接。
超聲波傳感器精確地識別和跟蹤焊縫的位置 提高焊接質量和效率
在焊接過程中，焊縫的準確跟蹤對于確保焊接質量至關重要。傳統的焊接方法可能需要人工干預以確保焊縫的準確對齊，但隨著技術的發展，焊縫自動跟蹤傳感器在焊接領域的應用越來越廣泛。這種傳感器能夠精確地識別和跟蹤焊縫的位置，從而提高焊接質量和效率。下面工采網小編和大家了解一下超聲波傳感器在焊接中的應用。
超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞來感知兩個需焊接的物體表面焊縫的位置，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波測距傳感器模塊 - HG-C40U特別適用于厚壁材料和難以直接觀察的焊縫。超聲波傳感器能夠穿透材料表面，檢測到焊縫的準確位置，為焊接作業提供有力的支持。
超聲波測距傳感器模塊 - HG-C40U是一款尺寸為50x22x25(mm)、Φ16傳感器的模塊，可測量到障礙物的距離為3.5m (at 5V)、5m (at 12V)，分辨率在5mm以內。另一方面HG-C40U 還具備兩個輸入電壓：5V 和 12V。出廠默認設為 12V。如果用戶想要更改，可以短接（焊接）JP1 變為 5V。
距離 1 測量
將物體放置在距離 HG-C40U 約 100mm 處 (用尺或其他測量裝置測量，盡量接近該距離)
打開 HGC40U 監控器 1.11.0923-01 程序在 ‘Calibration’標簽下的‘Distance 1’ 方框①中輸入精確距離 (100mm)點擊② ‘Get’ 按鈕。
展開 瑞典采用超聲波從汽車電池中提取有價值金屬 回收率提升至97%
蓋世汽車訊 據外媒報道，瑞典皇家理工學院的研究人員表示，首次利用超聲波從電動汽車NMC（鎳錳鈷）電池中提取了有價值的金屬，這對于電池回收工藝而言，是一項重大貢獻。該項研究由瑞典皇家理工學院和電池制造商Northvolt合作開展。
超聲波提取電池金屬（圖片來源：瑞典皇家理工學院）
瑞典皇家理工學院聚合材料研究員Xiong Xiao表示，此種新方法不僅在從已損壞電池中提取金屬離子的工藝中加入了超聲波，還提供了一種目前采用的有害浸出劑（如硫酸）的替代品。此種做法的好處是能夠節省50%的提取時間，還提供了鋰、鈷、錳和鎳等金屬離子的回收率。
超聲波清洗機能夠發出頻率極高的機械壓力波。在該項目中，研究人員采用了40kHz的頻率（超出人類的聽覺范圍），此類超聲波會產生能夠塌陷的微氣泡，從而讓當地溫度達到近5000攝氏度，并產生活性很高的自由基。由此產生的攪動增加了電池金屬中的質量傳遞，達到了萃取金屬不再需要刺激性化學物質的程度。
因此，可以選用更溫和、更環保的酸，如檸檬酸和醋酸。據報道，該方法導致金屬離子回收率平均可達97%，遠遠高于相同條件下采用機械攪拌法時的金屬離子回收量。此外，鈷和鎳的回收率最高，可達99%以上，而鋰和錳的回收率為94%和96%。
研究人員表示，下一步是優化超聲波，例如，采用強度和頻率不同的超聲波，以更快地提取有價值的電池金屬。
-END-
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