超聲波金屬焊接機(jī)的原理

超聲波金屬焊接機(jī)接頭的形成主要由振動剪切力、靜壓力和焊區(qū)的溫升三個因素所決定，它們之間相互影響，相互制約，并和焊件的厚度、表面狀態(tài)及其常溫性能有關(guān)。

（1）機(jī)械嵌合：超聲波金屬焊接接頭中常見到兩焊件接觸處形成塑性流動層，并呈現(xiàn)犬牙交錯的機(jī)械嵌合，這種接合對連接強(qiáng)度起到有利的作用，但并不是金屬的連接，在金屬與非金屬之間的超聲波金屬焊接接時(shí)，這種機(jī)械嵌合作用占主導(dǎo)地位。

（2）金屬原子間的鍵合：在超聲波金屬焊接接頭中，焊接界面之間存在大量被歪扭的晶粒，這些晶粒是跨越界面的“公共晶?！?，其尺寸與母材金屬的晶粒無明顯差別，接頭不存在明顯的界面，兩材料之間通過金屬原子的鍵合而連在一起?？梢哉J(rèn)為，在焊接開始時(shí)，待焊材料在摩擦功的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的變形和塑性流動，特別是氧化膜去除或破碎以后，為純凈金屬表面之間的接觸創(chuàng)造了條件，而繼續(xù)的超聲彈性機(jī)械振動以及溫升，又進(jìn)一步造成金屬晶格上的原子處于受激狀態(tài)，當(dāng)金屬原子相互接近到0.1～0.3nm時(shí)，就有可能出現(xiàn)原子間相互作用的反應(yīng)區(qū)，形成金屬鍵。

（3）金屬間的物理冶金：超聲波金屬焊接中還存在著由于摩擦生熱所引起的再結(jié)晶、擴(kuò)散、相變以及金屬間化合物形成等冶金過程。到目前為止，該方面的研究較少，缺乏必要的證據(jù)，特別是短時(shí)間焊接時(shí)，接頭中不一定出現(xiàn)再結(jié)晶組織強(qiáng)相變，但仍然能夠形成接頭，由此可知，再結(jié)晶，擴(kuò)散和相變不是形成接頭的必要條件。

（4）界面微區(qū)的熔化現(xiàn)象：超聲波金屬焊接接時(shí)，微區(qū)焊接溫度很難測量，不能排除微區(qū)中出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象。用高倍透射電子顯微鏡對0.4mm厚的各種Al和Cu接頭進(jìn)行了微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)同種材料的焊縫厚度在μm范圍內(nèi)，焊縫區(qū)的晶粒尺寸只有0.05～0.2μm，而軌制母材的晶粒為5～50μm。如果用一般的方法將母材經(jīng)過塑性變形和低于熔點(diǎn)的不同溫度退火，此時(shí)再結(jié)晶形成的晶粒均>3μm，而沒有發(fā)現(xiàn)更細(xì)小的晶粒。當(dāng)Al和Cu進(jìn)行超聲波金屬焊接接時(shí)，也同樣發(fā)現(xiàn)連接區(qū)有焊接時(shí)新形成的微細(xì)晶粒，而且都是等軸晶粒。電鏡分析中還觀察到，在連結(jié)區(qū)微細(xì)晶粒邊界的轉(zhuǎn)角處有非熔化質(zhì)點(diǎn)存在，這正是含有非熔化質(zhì)點(diǎn)的金屬加熱熔化后發(fā)生凝固的特點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為，超聲波金屬焊接時(shí)，界面薄層或局部發(fā)生了短時(shí)熔化及隨后的高速冷卻過程。