超聲波金屬焊接介紹

超聲波金屬焊接還在電子工業、電器制造、新材料的制備、航空航天及核能工業、食品包裝盒、高級零件的密封技術方面都有很廣泛的應用，量比電流焊接少得多，超聲波邦定作為超聲波金屬焊接的一種小功率應用，常用于晶體管或集成電路引線的焊接。當用于藥物和易爆材料的密封焊時，能避免一般的焊接方式因有溶解物等造成對藥品的污染，不會因受熱或產生火花而引發爆炸。對于我國建設資源節約型、環境友好型的現代化社會，超聲波金屬焊接將發揮很大的促進作用。

1超聲波金屬焊接原理及特點

超聲波金屬焊接原理超聲波金屬焊接是在19世紀（參數丨圖片）30年代偶然發現的。當時在做電流點焊電極加超聲振動試驗時，發現不通電流也能焊接上，因而發展了超聲金屬冷焊技術。超聲波焊接雖然發現較早，但是到目前為止，其作用機理還不是很清楚。它類似于摩擦焊，但有區別，超聲波焊接時間很短，局部焊接區溫度低于金屬的再結晶溫度；它與壓力焊也不相同，因為所加的靜壓力比壓力焊小得多。一般認為在超聲波焊接過程中的初始階段，切向振動除去金屬表面的氧化物，并使粗糙表面的突出部分產生反復的微焊、變形和破壞而使接觸面積增大，同時使焊區溫度升高，在焊件的界面處產生塑性變形。在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發生作用的距離時，即形成焊點。目前較為公認的一種對超聲波金屬焊接原理的解釋為:焊接金屬材料時，由超聲波發生器產生超生頻率振動電流，再由換能器利用逆壓電效應使之轉換成彈性機械振動能，并通過聲學系統向焊件輸入。兩被焊工件的接觸界面在靜壓力和彈性振動能量的共同作用下，通過摩擦、溫升和變形，使氧化膜或其他表面附著物被破壞，并使純凈界面之間金屬原子無限接近，產生結合與擴散，實現可靠連接。

1．1超聲波金屬焊接的優點

①超聲波金屬焊接壓力小，能耗低，且能焊接異種金屬材料。基于這些特點，可通過綜合利用超聲波金屬焊接技術和數控銑削技術來使金屬零件快速成形，并在成形過程中埋入功能器件來制作智能金屬基復合材料等。

②金屬超聲波焊機可進行點焊、連續焊，其焊接速度快。在應用范圍方面，即使材料間的物理性能相差懸殊，也能很好地焊接；還可進行其他方法無法奏效的金屬箔片、細絲、微小的器件及厚薄懸殊、多層金屬片的焊接。

③超聲波金屬焊接焊點強度高，且其穩定性好，具有高抗疲勞強度特征。

④焊接過程無需采用水冷和氣體保護，被焊工件的變形很小，焊接完成后工件無需進行退火等熱處理。超聲波金屬焊接過程本身包含著對焊接件表面氧化層的破碎清理作用，焊面清潔美觀，無需像其他焊接方法那樣進行焊后清理。

⑤金屬的超聲波焊接不用焊條，焊接區不通電，不直接對被焊金屬加熱。焊接同一工件金屬，與焊條電弧焊、氣焊相比，超聲波焊能耗要小得多。

⑥由于不需要添加焊劑，不污染被加工物，不產生任何焊渣、污水、有害氣體等廢物污染，因而是一種節能環保焊接方法。

⑦由于超聲波發生器是功率電子線路，易于實現電氣控制，能很好地與計算機配合進行焊接控制，從而達到高精度的焊接，并且易于實現焊接的信息化和自動化。

1．2超聲波金屬焊接的不足

①把超聲波應用于金屬材料焊接中，雖然可以得到很好的焊接效果，但是超聲波發生器和聲學系統與機械系統相結合的整個系統，其穩定性、可操作性、可靠性等方面還存在問題。所以聲學系統（換能器、變幅桿、連接部分）的設計，以及聲學系統與試件的連接方式等，都是十分關鍵的問題。

②對金屬超聲波焊接機理的認識不足。超聲金屬焊接是否無金屬熔化，僅僅是一種固相焊接方法，或者說是金屬間的“鍵和”過程，還有待進一步研究。

③超聲波金屬焊接影響工藝參數因素較多，不易進行總結。

④由于焊接所需的功率隨工件厚度及硬度的提高而呈指數增加，而大功率超聲波焊機的制造困難，且成本很高。隨著焊接功率的進一步提高，不僅在聲學系統的設計及制造方面將會面臨一系列較難解決的問題，而且未必能取得預期的工藝效果。因此目前僅限于焊接絲、箔、片等細薄件。

⑤超聲波焊機的“開敞性”比較差，工件的伸入尺寸也不能超過焊接系統所允許的范圍。接頭形式目前只限于搭接接頭。

⑥焊點表面容易出高頻機械振動而引起邊緣的疲勞破壞，對焊接硬而脆的材料不利。

⑦目前來講，對超聲波焊接的焊接質量的檢測還是比較難做的，無損檢測設備還沒有普及，常用方法無法用來監控，這也給大批量生產造成一定困難。

1.3影響超聲波金屬焊接質量的主要因素

(1)振幅:振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數[9]，不同的換能器輸出的振幅也不同，同一換能器也可以通過配置不同的變幅桿及焊頭來改變焊頭的工作振幅，以滿足對不同材料的焊接要求。通常的換能器的輸出振幅為5~20滋m，而工作振幅一般為10~30滋m左右，工作振幅同換能器輸出振幅﹑變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關。

(2)頻率:任何的超聲波焊接機都有一個中心頻率，例如20、40kHz等，焊接機的工作頻率主要由超聲波換能器(Transducer)、超聲波變幅桿(Booster)、和焊頭(Horn)的機械共振頻率所決定。超聲波發生器的頻率根據機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態，每一個部分都設計成一個半波長的整數倍諧振體。超聲波發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍。以20kHz為例，諧振工作范圍一般設定為(20依0.3)kHz，在此范圍內焊接機基本都能夠正常工作。制作每一個焊頭時都會對諧振頻率做調整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1kHz。目前超聲波金屬焊接所用的頻率通常為20kHz，實際上焊頭的頻率一般會控制在19.90~20.10kHz，誤差小于5‰。

(3)節點:焊頭、超聲波變幅桿均被設計為一個工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節點振幅為零，應力最大。節點位置一般設計為固定位，但通常的固定位設計時厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不一定為零振幅，這樣就會引起一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用降振結構設計進行屏蔽，能量損失在設計振幅參數時應充分考慮。橡膠圈被稱為軟固定，降振結構設計一般被稱為硬固定。在超聲波金屬焊接里，通常會采用硬固定結構，硬固定結構還有端面固定模式。

(4)網紋:超聲波金屬焊接通常會在焊接位表面，底座表面設計網紋，網紋設計的目地在于防止金屬件的滑動，盡可能將能量傳遞到焊接位。網紋設計一般有方形、菱形、條形網紋，網紋的大小與深淺根據具體的焊接材料要求來確定。

(5)電源:金屬焊接裝置使用的超聲波電源和供塑料焊接裝置使用的超聲波電源沒有很大的區別。特殊性在于焊接金屬具有更高的要求，為了滿足金屬焊接的需要，必需使用智能化的超聲波電源-超聲波發生器。超聲波發生器具有頻率自動跟蹤系統，在焊接過程中負載變化及溫升發生變化會引起振動系統諧振頻率的改變，因此，要求超聲波發生器要跟蹤振動系統的頻率，使發生器和振動系統之間一直處于諧振狀態，頻率自動跟蹤系統能夠補償在焊接過程中出現的工作狀態改變，使系統重新處15HotWorkingTechnology2015,Vol.44,No.15于諧振狀態并保正焊接參數的穩定，重點是振幅的穩定，這對于金屬焊接具有非常重要的意義。

(6)換能器:供金屬超聲波焊接裝置使用的換能器和供塑料超聲波焊接裝置使用的換能器沒有很大的區別，特殊性在于焊接金屬材料具有更高的質量要求，因為在焊接金屬材料時往往需要很大的瞬間功率，要求換能器有高的功率容量和低的阻抗，因此用于塑料超聲波焊接裝置的小功率換能器不能用于金屬的超聲波焊接。

2國內外研究現狀

2．1國內研究現狀

國內對超聲波金屬焊接工藝的研究主要集中在超聲波點焊的試驗研究方面。

許多學者對超聲波焊接能否達到金屬熔點形成一致看法：超聲波焊接是固相連接，只能達到金屬熔點的35％～50％。而華南理工大學機械工程學院的楊圣文和湯勇在銅片和銅管超聲波焊接試驗基礎上研究超聲波焊接機理，他們通過SEM圖來觀察金屬微觀組織和能量角度分析。最后得出結論：認為銅片與銅管的超聲波焊接過程更可能是一種基于焊接區域純潔金屬充分貼合和微齒表面局部高溫而熔化基礎之上的金屬鍵合、機械嵌合等作用的物理冶金過程。認為超聲波焊接可能使金屬熔化，或至少達到金屬熔點的80％，從而實現金屬的冶金焊接。

江蘇大學材料科學與工程學院張青來和王粒粒研究了表面狀態、焊接材料厚度等因素對AZ31B鎂合金薄帶超聲波焊接性能的影響，認為由于超聲波金屬焊接對焊接件表面破碎及清理作用，表面狀態對鎂合金薄帶的焊接強度影響較小，且試驗表明中間層材料的選擇對鎂合金超聲波焊接有一定影響，還認為焊接區域的溫度升高與焊接材料厚度成反比。

華南理工大學機械工程學院張銥洪和馬傳藝基于銅鋁材料性能分析，推導出焊接區域理論溫度，并結合實測溫度與焊接區域掃描電鏡圖片探討了鋁片－銅管太陽能集熱板超聲波金屬焊接機理，認為超聲波焊接接頭的形成是材料自身塑性、施加壓力以及摩擦升溫共同作用的結果。

王軍和賀占蜀通過對鋁片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接的金相組織、掃描電鏡（SEM）和能譜分析，得出4個重要機理。巨大的塑性變形和機械嵌合引起位錯和空位密度的增大，直接導致擴散程度的加深，而擴散和機械嵌合又可以大大提高金屬“鍵合”的可能性，金屬“鍵合”則直接導致這2種材料結合為一體。因此，材料塑性變形、機械嵌合、金屬“鍵合”以及原子擴散共同影響著Cu，Al超聲波焊接的質量。

國內研究者還對金屬導線與焊盤的超聲波點焊性能進行了研究，分析了Al/Au與Au/Al焊接界面在恒溫下的時效反應情況，發現Al/Au焊接界面具有更好的熱穩定性，并認為高頻超聲振動將提高金屬晶格內的位錯密度，產生位錯擴散與表面擴散，而形成金屬超聲波結合。

在焊接性能的模擬分析方面，香港科技大學YongDing等人基于材料應變率和塑性應變硬化特性，對Au線與Au/Ni/Cu焊盤的超聲波點焊進行2D及3D仿真，得出焊接區域的應力應變分布，并根據仿真結果分析了實際焊接區域情況以及摩擦能量對焊點強度產生的影響，發現焊接接口呈現出長橢圓形狀，且最大的焊接結合出現在焊接接口周圍，認為摩擦能量是影響焊接質量的重要因素之一；另外，基于非耦合熱結構特性進行了3D有限元仿真，得出Au線與Au/Ni/Cu焊盤的超聲波點焊溫度分布圖，認為在焊接過程中焊接件的平均溫度較好地低于金屬熔點，焊接接口的局部高溫是焊接固態結合的重要原因。

上述有的研究工作在某些方面存在不足，如：張銥洪等人雖然通過彈塑性理論推導出了焊接區域的理論溫度，但其沒有分析溫度場與摩擦系數間的相互影響；YongDing等人對焊接過程進行了有限元仿真分析，但沒有考慮到焊接過程的熱機械性能之間的相互作用對應力應變及溫度場的影響。國內的研究工作沒有涉及或者深入探討超聲波金屬焊接機理的一些重要因素，如：焊接過程中熱機械性能間的相互作用、高頻超聲振動對材料塑性流的作用等，從而不能充分揭示超聲波金屬焊接的機理。

2．2國外研究現狀

國外對超聲波金屬焊接的工藝進行了更為深入的研究，下面將從試驗與模擬研究兩方面分別對該技術的國外研究情況進行介紹。英國拉夫堡大學Kong等人通過大量試驗分別得出了0．1mm厚3003與6061這2種鋁合金薄片各自最佳的滾焊焊接工藝參數范圍，并結合線性焊接密度（真實焊接連接區域占整個焊接面積的比例）與焊接試樣剝離強度以及微觀組織分析來評價試樣的焊接質量。試驗表明，在超聲波振動與施加靜壓力的雙重作用下，焊接接口產生摩擦與塑性流，使得焊接接口鋁合金薄片表面的氧化膜破碎而逐漸形成連接點；隨著振動的持續，氧化膜將被阻擋在焊接接口外，并在較大的振幅下被驅散，而得到較高的線性焊接密度與焊縫強度。由于6061鋁合金薄片的表面存在氧化膜，在焊接過程中不能有效產生摩擦來破碎驅散氧化膜，使其薄片間難以產生焊接連接點；通過焊前對6061薄片表面進行預處理，可以有效提高其焊接線性密度。

另外，為了探索利用超聲波固接技術來制造智能金屬結構，Kong等人嘗試在鋁合金薄片間埋入形狀記憶合金纖維與光學纖維。試驗表明，在優化焊接工藝參數范圍內，對溫度敏感的SMA和易破碎的光學纖維都被成功埋入到鋁合金薄片中，如圖2所示，沒有出現明顯的變形與損壞。在埋入SMA的焊件接口發現了明顯的未連接痕跡，認為可能是由于SMA具有較高的阻尼率，在焊接過程中吸收了部分超聲波振動能量，因此需要更大的超聲波能量來獲得更完全的焊接；并分析了焊件的熱機械響應情況，發現在焊件溫度高于SMA相變溫度后，熱膨脹率開始偏離線性狀態。在埋入多模光學纖維試驗中采用了2種方案，即直接埋入帶聚合物保護層的光纖與埋入去除保護層的裸光學纖維。第1種方案由于部分聚合物保護層被熔化并驅散分布于焊接接口周圍，降低了焊接接口強度；在第2種方案中，通過測量埋入于鋁合金中光纖的透射光強度來衡量光纖的完整程度，得出了最佳埋入處理參數，為今后的進一步研究提供了依據。

美國俄亥俄州立大學的DeVries通過紅外線攝像機測量了鋁合金薄片超聲波焊接過程的溫度，在不同焊接工藝參數條件下，一般為金屬熔點的40％～80％。Cheng等人通過微傳感陣列對銅合金與鎳2種金屬的超聲波焊接過程中熱量產生與溫度分布情況進行了研究，認為焊接過程溫度一般為100～250℃。

Gunduz等人研究了在高溫條件下（513K）鋁與鋅2種金屬超聲焊接的情況，發現焊接過程中焊接接口內擴散加劇，焊接金屬出現部分熔化。認為材料空穴聚集將增加到0．1左右，材料擴散率也將變大。

Zhang等人對3003－H18鋁合金薄片超聲波焊接的摩擦行為進行了研究，發現焊接過程中摩擦系數與區域溫度呈現出非線性關系，它隨著溫度的上升先變大再下降至室溫時的水平，滑動速度對鋁合金的摩擦系數影響很小。

Jeng等人研究了不同焊接條件對超聲波金屬線焊接的結合強度產生的影響，試驗表明，連接溫度對焊接初期的結合強度有著極大的影響，而焊件表面的粗糙度在焊接最后階段成為決定焊點強度的主導因素；對于在不同焊接壓力與粗糙度的焊接條件下，最大的結合強度出現在焊接初期。

JanakiRam等人對多種材料結構的超聲波固接性能進行了研究，試驗表明：鋁銅合金、鎳基合金等材料均能與3003鋁合金實現良好的焊接，在現有焊接參數條件下AISI347不銹鋼、黃銅與3003鋁合金的焊接性能較差，并在3003鋁合金中成功埋入了SiC纖維與不銹鋼線，認為超聲波固接技術是制造多種材料結構的有效方法。

ahn等人研究了焊接底座幾何形狀與焊接能量對超聲波點焊性能的影響，試驗表明：焊點強度隨著焊接熱輸入的增大而提高，最后趨于一個穩定水平，低能量焊接樣本拉伸后斷裂在焊接接口，而高能量樣本斷裂出現在焊接接口的周圍；在焊接能量上升初期，焊接孤立點不斷出現，當焊接能量達到一定水平時，出現連續的焊接區域，焊接接口由平坦轉變為波浪形狀，并且在整個能量上升階段伴隨著變形微觀組織的出現；在焊接接口的孤立點與變形微觀組織周圍存在著微孔，經過等溫退火處理后，觀察到焊接區域內部顆粒生長，但多孔界面微觀結構不受影響。

Li等人研究了超聲波焊極表面的紋理組織對超聲波焊接性能的影響，通過試驗發現，當焊極表面的紋理組織較差時，在振動振幅超過一定門限值后，由于焊極與金屬薄片間產生滑動而導致大量超聲振波動能量損失；粗糙的焊極表面能夠增大焊接接口的摩擦，具有較高的能量傳遞效率，另一方面這也將增大焊接接口的空穴水平，影響焊接質量。認為均勻、粗糙的紋理表面是實現良好焊接的前提條件。Li等人還對超聲波固接纖維埋入過程中鋁合金的塑性流與加工硬化情況進行了研究，試驗表明：在埋入過程中SiC與SM光纖周圍出現大量的塑性流和少量空穴；在埋入纖維周圍的鋁合金加工硬化顯著，3003退火鋁合金比6061退火鋁合金出現更高的加工硬化水平；由于埋入過程的差異而造成在3003退火鋁合金中埋入SM光纖比埋入SiC纖維產生更少的塑性變形。認為在超聲波固接加工過程中，塑性流引起的加工硬化可以依據Hall-Petch關系來計算，而金屬薄片間的摩擦對加工硬化作用不大。

Gao與Doumanidis基于金屬焊接接口的摩擦邊界條件的定義，對金屬薄片的超聲波點焊過程進行了機械分析，指出了摩擦與壓力對焊接區域應變場形成所產生的作用，認為該2D數值模型有助于研究焊接接口的應力集中、塑性流的產生及擴散等焊接現象。

DeVries推導出一個超聲波金屬點焊的機械學模型，認為該模型可以預測在點焊過程中產生的切向力及其給點焊質量所帶來的影響，并能夠解釋焊接材料特性、預焊件表面條件及點焊工藝參數對點焊過程產生的作用，有助于解決一些超聲波金屬焊接的現實問題。通過仿真與試驗分析認為，焊接連接應力峰值隨著材料厚度的增大而顯著下降；材料的表面條件，尤其是摩擦系數，對焊接質量和避免超聲波焊極出現粘焊現象至關重要；焊接區域的溫度受選取焊接工藝參數的影響，最高溫度出現在靠近超聲波焊極的邊緣處，認為這可能是由于外部塑性變形比焊接區域內部的塑性變形產生了更多的熱量，同時指出焊接過程的溫度上升將對焊接材料的性能產生較大影響。

美國塔夫斯大學的Yadav等人在忽略超聲波焊極和焊接底座各自與金屬薄片接口間的熱傳導與滑動、只有與超聲波焊極接頭表面的凸出相接觸的上焊件區域才受到靜壓力與剪切振動等前提下，對超聲波點焊過程中的溫度場進行了數值模擬，溫度預測與試驗測量結果相一致，分析認為在金屬焊接區域的溫度適當上升與劇烈應變作用下，將產生晶格空穴聚集，并通過空穴內擴散而實現金屬材料的結合。

Daud等人通過試驗與仿真研究了1050鋁合金在超聲波作用下的拉伸與壓縮行為，所有仿真都是在忽略溫度變化影響條件下進行機械學分析，并通過改變超聲振動過程中的摩擦力大小來計算1050鋁合金的形變，分析認為，不能依據應力疊加與表面效應來解釋超聲振動在金屬焊件上所產生的作用，通過研究鋁合金微觀組織如何吸收超聲能量，有可能解決這個問題。

Zhang等人認為在超聲波金屬焊接過程中存在熱機械耦合相互作用：焊接條件的變化影響焊接摩擦條件、摩擦過程中將產生熱量、熱量場影響焊接局部區域的塑性流與材料機械屬性、最后塑性流與改變的材料屬性將反作用于焊接摩擦條件，并認為摩擦對焊接結合及其質量起到了重要的作用。在假設塑性流對摩擦生熱不產生影響、熱量場主要由摩擦生成以及鋁薄片表面與超聲焊極間不存在滑動條件等前提下，提出了一個3D熱機械有限元模型，來分析焊接過程的溫度與塑性應變分布情況。分析認為，在焊接初期焊接接口區域的摩擦熱流迅速上升，隨著焊接的繼續最終達到一個穩定水平，峰值溫度出現在焊接接口；塑性應變有助于焊接結合形成，類似于溫度場，其最終達到穩定狀態，最大的應變出現在焊接連接區域的中心附近，還發現塑性應變具有波形分布的特點，這可能是由于層疊的超聲振蕩波所造成的。

Siddiq等人在充分考慮焊接過程中出現的表面效應與體積效應前提下，提出了一個基于循環塑性理論的材料模型和一個依賴于滑動、連接壓力、循環次數及溫度的可變摩擦系數的摩擦準則，對6061鋁合金薄片超聲波滾焊過程的熱機械性能進行了模擬仿真，仿真結果與試驗結果具有良好的一致性。分析認為，焊接表面的摩擦并不是金屬焊接結合的主要原因，其主要是起到破碎及驅散焊接接口金屬表面的氧化層和雜質的作用，焊縫形成主要是由于在原子力作用范圍內的金屬原子結合；焊接過程中溫度僅為金屬熔點的15%～55％，最高溫度遠低于金屬的熔點；靠近超聲波焊極的金屬材料由于吸收了超聲波能量，在焊極還未移動到它之上時提前出現預軟化，并將沿著焊極運動方向持續，這可能用來解釋為什么在采用超聲波金屬滾焊埋入纖維試驗中在纖維周圍出現的材料流現象；由于熱軟化與超聲波軟化現象，導致焊接接口的摩擦應力減小。

Elangovan等人在假設超聲波焊頭表面凸出均勻、焊接金屬薄片間不存在空氣間隙等前提下，對超聲波金屬點焊過程中不同焊接條件點焊區域的溫度場、應力場等進行了數值模擬，分析認為，由于焊接件吸收超聲波能量而產生更多熱量，使得溫度聚集更靠近焊接件；施加壓力對點焊區域的變形產生重要作用，點焊接口的溫度隨著壓力的增大而降低，過大的施加壓力將導致焊件接口變形，不利于焊接結合。該模型有助于解釋材料屬性、表面條件及其他焊接參數對焊接行為帶來的影響。

3制約國內超聲波金屬焊接技術發展的幾個關鍵因素

(1)換能器功率:換能器是超聲波焊接設備的核心部件，金屬超聲波焊接要求換能器有大的功率容量、長時間的小衰減。國內大部分公司的20KHz換能器往往只能承受約1500W的負載，這和國際上領先制造商的同類產品能達到5000W還存在很大的差距，國內也尚未有見到掌握大功率超聲波換能器的推-挽技術的報道。

(2)超聲波發生器:穩定的超聲波發生器的要求必須具有頻率自動跟蹤功能，這樣可以保證換能器系統能夠始終工作在諧振狀態，即達到焊頭振幅的最大化。國內很多公司采用的是自激式的全橋或半橋電路，不具備頻率自動跟蹤的功能。這樣造成的問題是當電感及電容的參數確定時，發生器的諧振頻率就是個定值，不會隨著溫度或負載的變化而變化，而焊頭及換能器的頻率會隨著溫度及負載的變化而產生偏移，這樣，焊頭的振幅就會隨著頻率的偏移而大幅下降，這直接會導致焊接參數的變化，影響焊接穩定性。

(3)焊頭材料的性能:超聲波金屬焊接要求有高度耐磨的焊頭，這樣就要求焊頭材料具有高硬度的性質，而超聲波焊接技術本身要求焊頭材料要有較好的韌性，這就造成了焊頭材料選擇上的矛盾。由于這些技術上的限制，目前國內大部分公司的焊頭還無法和歐美同類產品所使用的焊頭相媲美。

4超聲波金屬焊接技術今后發展方向

我國超聲波金屬焊接技術起步較晚，很多都是簡單的對超聲波塑料焊接的原有技術進行的修改，正是由于兩者的技術差異，使得這種做法并不能真正滿足超聲波金屬焊接的技術要求。但是我們可以看到，近年來國內有關公司和相關科研人員通過不斷的技術攻關和自主研發，已經有一些產品能夠達到國外發達國家同類產品的水平。為了解決制約超聲波焊接裝備的關鍵技術，拓寬超聲波焊接技術的應用范圍，作者認為應該加強以下幾個方面的工作:

(1)大功率換能器技術:超聲波金屬焊接對換能器的功率有很大的需求，設計和制造出大功率的超聲波換能器迫在眉睫。目前有一種推-挽式超聲波系統[10]，能夠大幅提高換能器功率，值得我們更加深入的研究和改進。

(2)焊頭材料:在超聲波金屬焊接過程中，如果焊頭的質量不能達到理想的水平，將會大大影響我們在生產和應用中的成本和產能。我們對超聲波金屬焊接所用焊頭的要求是既要有高硬度，又要具有良好的韌性，這樣才能保證焊頭的使用壽命。同時焊頭表面網紋的設計也在一定程度上影響焊接質量。因此想要保證焊頭的質量和壽命，我們不單要不斷選擇更加合適的焊頭材料，還可以從表面涂層或滲層技術、表面網紋設計等方面做更深入的研究。

(3)超聲波電源技術:超聲波金屬焊接較超聲波塑料焊件而言，對于電源有了更為嚴格的要求。因此，設計和制造出更好的超聲波發生器對于提高超聲波金屬焊接質量的作用顯而易見。能夠頻率自動跟蹤的超聲波發生器技術還有很多需要改進的地方，這也將成為我們研究的重點。

(4)超聲波焊接技術的推廣應用:超聲波金屬焊接技術是在超聲波塑料焊接技術之上發展起來的，但由于關鍵技術還存在一些問題，遠沒有像超聲波塑料焊接技術那樣獲得廣泛的應用，目前超聲波金屬焊接主要應用于汽車、制冷、太陽能、電池、電子等幾個領域。但是超聲波金屬焊接技術在金屬層狀復合材料制造領域的應用在我國還是一項空白，隨著我國超聲波金屬焊接技術的發展和關鍵技術的突破，相信超聲波金屬焊接在金屬層狀復合材料制造領域以及金屬快速增材制造領域將獲得推廣應用。

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