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什么是超聲波焊接？它是如何工作的？

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年08月12日 11:08

超聲波焊接是一種固態(tài)連接工藝，利用高頻超聲波聲振動(dòng)，局部施加于在壓力下固定在一起的工件。該技術(shù)適用于塑料和金屬焊接，能夠連接不同的材料。當(dāng)應(yīng)用于金屬時(shí)，溫度保持在材料的熔點(diǎn)以下，這意味著金屬的性質(zhì)不會(huì)像高溫連接方法那樣改變。超聲波焊接無需連接螺栓、釘子、粘合劑或焊接材料，因此廣泛用于汽車、航空航天、醫(yī)療和計(jì)算等一系列應(yīng)用。

1963年，羅伯特·索洛夫 (Robert Soloff) 和西摩·林斯利 (Seymour Linsley) 為超聲波焊接硬質(zhì)熱塑性部件的方法申請(qǐng)了專利，此前索洛夫偶然發(fā)現(xiàn)，只需將超聲波探頭靠近塑料膠帶分配器的兩半，它就能將膠帶分配器的兩半連接在一起。索洛夫發(fā)現(xiàn)超聲波能量可以穿過和繞過硬質(zhì)塑料，從而焊接整個(gè)接頭，于是他開發(fā)了第一臺(tái)超聲波壓機(jī)。

早期的超聲波焊接只能連接硬質(zhì)塑料，它首先應(yīng)用于玩具行業(yè)。然而，第一輛完全由塑料制成的汽車是在1969年用超聲波塑料焊接組裝而成的。汽車行業(yè)放棄了全塑料汽車的想法，但繼續(xù)使用超聲波焊接，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)也被其他行業(yè)采用。

超聲波焊接工藝

超聲波焊接能夠連接硬質(zhì)和軟質(zhì)塑料以及金屬，其基本工藝相同，因?yàn)樗谐暡ê附酉到y(tǒng)都由相同的通用組件組成：

1、壓力機(jī)通常采用電動(dòng)或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，用于對(duì)兩個(gè)部件施加壓力

2、使用鐵砧、夾具或“嵌套”來放置零件，并將高頻振動(dòng)引導(dǎo)至接口處

3、超聲波設(shè)備（包括換能器、變幅桿和工具頭）：

– 轉(zhuǎn)換器：利用壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)

– 變幅桿：用于以機(jī)械方式修改振動(dòng)幅度，還用于向壓力機(jī)中的設(shè)備施加夾緊力

– 工具頭：將振動(dòng)施加到要連接的部件，同時(shí)以機(jī)械方式修改幅度并形成部件的形狀。

設(shè)備的這三個(gè)元件被調(diào)整為以相同的超聲波頻率共振（以KHz 為單位）

1、電源或“超聲波發(fā)生器”，以與設(shè)備相同的共振頻率提供高功率電信號(hào)：用于管理壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)和超聲波能量傳輸?shù)目刂破?/p>

2、超聲波焊接設(shè)備可以根據(jù)不同的零件規(guī)格進(jìn)行定制，但一般來說，零件被放在一個(gè)嵌套中，并夾在壓力機(jī)中。然后將工具頭接觸零件，零件局部熔化后粘接在一起。這些振動(dòng)通常設(shè)置為 15 Khz、20 kHz、30 kHz、35 kHz、40 kHz 和 70 kHz 等范圍。

它是如何工作的？

1、雖然超聲波焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)相同，但是超聲波焊接在金屬和塑料之間形成連接的方式不同。

2、在連接塑料時(shí)，兩個(gè)工件之間的界面通常設(shè)計(jì)為有助于集中熔化過程。一個(gè)工件與另一個(gè)工件的界面處會(huì)有一個(gè)尖刺或圓形的表面接觸。這些接觸點(diǎn)在超聲波能量的影響下熔化以形成接頭。在連接熱塑性塑料時(shí)，這種熔化是局部的，因?yàn)檎駝?dòng)能量沿著接頭被吸收。

3、對(duì)于金屬，焊接是由于表面氧化物的高壓擴(kuò)散和超聲波振動(dòng)引起的材料局部運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的。雖然該過程會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，但不足以熔化母材。

4、研究發(fā)現(xiàn)，超聲波焊接工藝甚至可以用于在碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP) 板材和輕金屬之間建立高度耐用的粘合，但關(guān)于超聲波焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，仍有許多需要學(xué)習(xí)的地方。

超聲波焊接原理 優(yōu)點(diǎn)

●超聲波焊接方法與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括超聲波焊接的溫度低，因?yàn)榈蜔嵊绊懺试S將更多材料焊接在一起。這種低溫還意味著需要更少的燃料或能源，從而降低相關(guān)成本。

●超聲波焊接是一種快速連接方法，可在幾分之一秒內(nèi)將材料粘合在一起。與使用粘合劑相比，這種快速焊接方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如，在連接后無需長(zhǎng)時(shí)間放置固定裝置以進(jìn)行干燥或固化。

●超聲波焊接不需要易燃燃料、明火或消耗品，這意味著工人不會(huì)接觸危險(xiǎn)氣體或溶劑，從而使超聲波焊接成為一種更安全且對(duì)環(huán)境安全的技術(shù)。

此外，該過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以快速的循環(huán)時(shí)間和很少的修補(bǔ)工作提供干凈、可重復(fù)和精確的接頭。

●超聲波焊接被發(fā)現(xiàn)與使用相同材料的傳統(tǒng)焊接一樣耐用和堅(jiān)固。汽車行業(yè)希望使用超聲波焊接來連接輕質(zhì)鋁，速度比傳統(tǒng)焊接更快，溫度也更低。

應(yīng)用

超聲波焊接已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。雖然它不適用于連接厚部件，但它非常適合小型、復(fù)雜或精密的組件和材料，如電線、電路、金屬片、箔、帶和網(wǎng)。超聲波焊接是一種可以自動(dòng)化的快速工藝，也用于熱塑性塑料，不需要通風(fēng)來散熱或排氣。

超聲波焊接的常見應(yīng)用包括：

1. 計(jì)算與電氣

超聲波焊接廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和電氣行業(yè)，用于連接電線和連接微型電路等小型或精密部件。此外，該技術(shù)還用于閃存驅(qū)動(dòng)器等存儲(chǔ)介質(zhì)以及電池組件。

2. 航空航天和汽車

超聲波焊接在汽車行業(yè)用于組裝大型塑料和電氣產(chǎn)品，包括儀表板、門板、方向盤和發(fā)動(dòng)機(jī)部件。航空航天業(yè)使用該工藝連接輕質(zhì)、薄規(guī)格的板材（如鋁）以及粘合碳纖維等復(fù)合材料。

3. 醫(yī)療

由于超聲波焊接不會(huì)在焊接過程中引入污染物或降解，因此在醫(yī)療行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。它用于制造從動(dòng)脈和血液過濾器到面罩、病號(hào)服和透皮貼劑等各種物品。

4.包裝

超聲波焊接用于制造一系列行業(yè)的包裝，包括煙花、爆炸物或活性化學(xué)品等危險(xiǎn)品的包裝。它還用于連接丁烷打火機(jī)的零件、牛奶容器等食品包裝。

結(jié)論

超聲波焊接是一種利用高頻振動(dòng)能量的連接技術(shù)。當(dāng)工件在壓力下牢固地固定在一起時(shí)，該能量會(huì)施加到工件上。超聲波焊接能夠熔化和連接軟硬熱塑性塑料和熱塑性復(fù)合材料，也可用于連接鋁、黃銅或金等薄而軟的金屬，而無需熔化基材。此外，超聲波焊接還可用于焊接一些異種金屬。這種連接方法廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行焊接，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生污染。