超聲波焊接技術

由於最近需要進一步瞭解超充相關的技術，其中還蠻重要的一個點就是95平方線纜的焊接和散熱問題。而超聲波焊接焊接是解決目前壓接端子阻抗較大的一個替代方案，雖然之前也對超聲波焊接有大致的瞭解，但缺沒有系統性的瞭解過。因此，趁著這次就系統地瞭解一下，也對應的做瞭一點總結。

隨著新能源汽車超充技術的逐漸應用和推廣，為滿足大電流充電的要求，原有直流充電線束的線纜基本都從50平方或者70平方的升級到瞭95平方及以上。原有的50平或者70平線纜與金屬端子的連接基本都是采用壓接的方式，但由於壓接的端子阻抗較大（其阻抗較大的原因是：壓接線纜的銅線之前存在空洞），在高達600A的電流下，發熱量較大，很難滿足大電流長期穩定的工作。因此，目前在95平方及以上的線纜與端子的連接基本都是采用超聲波焊接技術（超聲波焊接不會出現壓接工藝的空洞現象）。

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超聲波焊接技術並不是一個陌生的技術，其實很早就開始應用瞭，隻是在新能源汽車線纜上是最近幾年才開始逐漸應用。

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。是一種快捷，幹凈，有效的裝配工藝。它是一種固相焊接方法，焊件之間的連接是通過聲學系統的高頻彈性振動以及在工件之間靜壓力的加持作用下實現的。焊件在靜壓力及彈性振動能量的共同作用下，將彈性振動能量轉變成工件間的摩擦能、形變能和熱能，致使兩工件表面形成純凈金屬貼合、原子擴散，從而達到摩擦焊接。

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其廣泛應用於：

1、醫療器材，比如藥液過濾器、輸液器、口罩、氧氣袋、血袋、過濾呼吸器、心血過濾器、醫用手術器材等；

2、汽車：比如保險杠、油箱蓋、前後門、燈具、高壓線纜、電池（特斯拉在電池的極耳連接上就是使用的超聲波焊接）等；

3、傢電：傢電用的塑料件，比如電視機外殼、燈泡、洗衣機脫水槽、音箱、電表等；

4、包裝：比如軟管的封裝、紙杯的連接等；

5、玩具。

超聲波焊接主要有以下特點：

1、焊接材料比較廣。可用於金屬件之間、塑料件之間、金屬與塑料之間、不同厚度材料之間以及多層薄片材 料之間；

2、焊接件不需要外加熱源，不產生像電阻焊時易呈現的熔融金屬的噴濺等；

3、其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度高，且穩定性好；

4、被焊金屬外表氧化膜或塗層對焊接質量影響較小；

5、焊件變形小，焊接速度快，接頭強度高，導電性能好；

6、不需要增加任何粘結劑、填料或溶劑。

超聲波焊接相較於壓接工藝有可以總結為以下3點好處：

1、避免瞭端子壓接形成的空洞，提高瞭導電性能和線纜的穩定工作；

2、降低因接觸電阻引起的熱量堆積現象，防止瞭線束與端子的接觸部分溫度過高導致線束燒毀的隱患；

3、避免瞭線束中導線受外界水分、灰塵、油氣等因素影響而造成銅絲銹蝕、氧化現象，從而導致導電性能下降的危害。

超聲波焊接的壓接斷面沒有空洞現象，如下圖所示。

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來源；圖片來源於網絡

圖1、超聲波壓接斷面

超聲波焊接的拉力與壓降都明顯低於傳統的壓接工藝。具體對比如下表：

數據來源：來源於網絡

圖2、壓力及壓降數據對比

對於超聲波焊接最重要的設備就是超聲波焊接機。焊接機大致可分為5大組成部分：

1、超聲電源，將工頻單相或三相交流電轉換為高頻（15–75 kHz）交流電，為壓電換能器提供電能；

2、壓電換能器，將電源輸出的高頻交流信號轉換為同頻的振動信號；

3、變幅桿，將壓電換能器輸出的高頻振動信號幅值放大；

4、工具頭，進一步放大振動幅值，並把能量傳遞到焊接區域；

5、氣動加壓模塊，為焊接過程提供壓力。

超聲波點焊機是通過高頻機械振動（２０～５０ ｋＨｚ）和恒定 靜壓力使焊接工件的接觸面受到剪切力，並在界面產生高應 變塑性變形和較高溫度，將機械能轉換成熱能和塑性耗散能，使焊接界面相互結合，達到材料永久性連接的目的。 目前，超聲波點焊機主要分為兩類：第一類是塑料用超聲波 點焊機，主要用於塑料制品的焊接，其振動方向垂直於板材表面；第二類是金屬用超聲波點焊機，其振動方向平行於板 材表面。金屬用超聲波點焊機從結構上分為兩類：一是雙聲 級焊接設備，采用耦合式振動，振幅采用電路補償，無需專門 設置振幅參數，換能器橫置，振動方向為橫向；二是單聲級焊機，上部為焊頭，下部是鐵砧，振幅可調，振動方向為縱向。

單聲級超聲波點焊機的工作原理如下圖所示：

圖3、單聲級超聲波點焊機

設備利用發生器將５０ Ｈｚ電流轉換為１６～８０ ｋＨｚ諧振電流，換能器將該電流轉變為彈性機械能，變幅桿對機械能的振動幅度進行放大，在靜壓力作用下，放大後的機械能經上聲極傳遞給工件，工件在上聲極和鐵砧作用下產生相對摩擦，摩擦即造成材料焊接界面微區變形，產生變形熱，促使界面原子擴散，從而使工件達到固相連接狀態。其中需要註意的是雙聲極焊機的下端不是鐵砧，而是下聲極焊頭，其作用原理與單聲級焊機一致，但控制機制存在差異。

塑料用超聲波點焊機的工作原理如下圖所示：

圖4、單聲級超聲波點焊機

塑料用超聲波點焊機的焊接原理與金屬超聲波點焊機的焊接原理基本相同，區別在於換能器和變幅桿豎直安裝，其振動方向與板材表面垂直。

超聲波點焊技術是一種快速、環保、安全的焊接方式，同時也是目前最先進的連接工藝之一。應該會應用越來越廣泛。