异种材料超声波焊的工艺要点

超声波焊是利用超声频率的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。异种材料超声波焊的工艺要点主要如下：

一、焊接材料的选择与处理

1. 材料特性匹配

   异种材料的硬度、熔点和热膨胀系数等物理性能差异会影响焊接效果。一般来说，选择硬度差异不大的材料进行焊接较好。例如，当焊接铝和铜时，铝的硬度相对较低，铜的硬度较高，在焊接过程中要考虑这种硬度差对焊接压力和振动传递的影响。

   材料的熔点差异也很关键。如果两种材料熔点相差过大，在焊接过程中，熔点低的材料可能会过早熔化，影响焊接接头的质量。比如焊接钢和锡，钢的熔点远高于锡，焊接时要严格控制焊接能量，防止锡过度熔化。

2. 表面清洁处理

   焊接前必须对异种材料的表面进行清洁。表面的油污、氧化物和杂质等会阻碍超声波能量的传递，降低焊接质量。对于金属材料，可以采用化学清洗（如用酸溶液去除铁锈）、机械打磨（如用砂纸打磨掉表面氧化层）等方法。例如，在焊接不锈钢和钛合金时，先用丙酮清洗表面油污，然后用细砂纸轻轻打磨去除氧化层，确保表面光洁。

二、焊接参数的控制

1. 超声振动频率和振幅

   超声振动频率一般在 15 - 75kHz 之间。频率的选择取决于材料的性质和焊件的尺寸。对于异种材料焊接，要根据两种材料的弹性模量等因素综合考虑。例如，焊接塑料和金属时，由于塑料的弹性模量较低，通常选择较高的频率（如 40kHz 左右），这样可以更好地传递振动能量，使塑料和金属表面的分子间作用力增强。

   振幅是影响焊接质量的重要因素。振幅一般在 5 - 25μm 之间。较大的振幅可以增加材料表面的摩擦和塑性变形，但振幅过大可能会导致材料表面损伤。在焊接异种材料时，要根据两种材料的硬度来调整振幅。如果一种材料硬，一种材料软，振幅过大可能会使软材料过度变形，所以要适当降低振幅，保证两种材料在焊接过程中都能达到合适的变形程度。

2. 焊接压力

   焊接压力对异种材料的紧密接触至关重要。合适的焊接压力可以使两种材料的界面紧密贴合，促进原子间的扩散和结合。压力过小，材料界面贴合不紧密，超声振动能量无法有效传递；压力过大，可能会挤出过多的材料，导致接头变薄，甚至损坏材料。例如，在焊接铜和铝时，焊接压力一般控制在 0.2 - 0.5MPa 之间，这个压力范围可以使铜和铝的界面充分接触，又不会对材料造成过大的挤压。

3. 焊接时间

   焊接时间的长短会影响焊接接头的质量。焊接时间过短，材料表面的氧化膜等杂质来不及破碎和排出，原子间的扩散和结合不充分；焊接时间过长，可能会导致材料过度受热、变形，甚至损坏。对于异种材料焊接，要根据材料的厚度和性质来确定焊接时间。例如，焊接薄的不锈钢片和铜片时，焊接时间可能只需 0.5 - 1 秒；而焊接较厚的异种金属材料，焊接时间可能需要 3 - 5 秒。

三、焊接接头设计

1. 接头形式

   异种材料超声波焊常用的接头形式有搭接接头和对接接头。搭接接头适用于大多数异种材料焊接，它可以提供较大的焊接面积，有利于能量传递和材料结合。例如，在焊接铝合金和镁合金时，采用搭接接头可以使两种合金的表面充分接触，增强焊接强度。对接接头在异种材料焊接中应用相对较少，但在一些特殊情况下也会使用，如对于尺寸精度要求较高的异种材料焊接，需要精确控制接头的位置和尺寸时可以采用对接接头。

2. 接头尺寸

   接头的尺寸包括搭接宽度、对接厚度等。对于搭接接头，搭接宽度要根据材料的厚度和强度要求来设计。一般来说，材料越厚，搭接宽度应越大。例如，当焊接厚度为 2mm 的异种金属材料时，搭接宽度可设计为 8 - 10mm，这样可以保证足够的焊接面积，使接头具有良好的力学性能。对于对接接头，要注意控制对接面的平整度和垂直度，确保两种材料能够紧密对接，使超声振动能量均匀分布在对接面上。