超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨

韩建辉

摘 要：超声波金属焊接是一种新兴的特种加工技术，它在很多方面都优越于传统焊接技术，并且在各领域内都有着广泛的应用。这种先进的焊接技术不仅是科技进步的重要体现，同时也为人类社会发展做出了重大贡献。鉴于此，文章分析了超声波金属焊接的优缺点以及国内外的研究现状，并对其未来发展进行了展望，以期使超声波金属焊接技术在我国得到更全面的发展。

关键词：超声波；金属焊接；现状；展望

超声波金属焊接起源于1950年的美国，当时正处于美国工业社会发展时期，工业的快速发展要求技术上进行不断的创新，以满足人们日益膨胀的物质需要，超声波金属焊接便由此诞生，并很快得到了广泛的应用。如今，超声波金属焊接的应用领域囊括了电子工业、制造业、食品工业以及核能工业等，其不但在技术方面领先于传统焊接技术，而且具有节能环保以及操作方便等特点，能够促进我国资源节约型和环境友好型社会的建设。可以说，超声波金属焊接技术在我国经济社会发展中发挥了巨大的促进作用。

1 超声波金属焊接优缺点分析

1.1 优点

超声波金属焊接是一项全新的技术，对其研究和应用还处于发展阶段，但毋庸置疑的是，它在很多方面都优越于传统的焊接技术，具体表现为以下几个方面。

1.1.1 压力小、能耗低

超声波金属焊接不同于传统焊接的最大优点是其压力小且能耗低，这在很大程度上节约了能量成本，并且其还能将不同种类的金属材料焊接在一起，突破了原本受技术限制而不能实现异种金属焊接的瓶颈。另外，在金属零件快速成形的过程中，其可以埋入一些功能器件来实现智能金属基复合材料，这是传统焊接技术所不能达到的。

1.1.2 速度快、稳定性高

超声波金属焊接可以通过使用点焊和连续焊，来保证焊接速度的提升，它不但能将不同物理性能的材料焊接完好，还能应用于其他技术不能达到的厚薄相差悬殊以及多层金属片之间的焊接。由于其焊点强度非常高，导致其具有很好的稳定性。

1.1.3 程序简便、精度高

超声波金属焊接技术在焊接过程中只需简洁的程序就能保障焊接成品的质量，其程序的简便之处体现在以下几点：首先，无需采用水冷和气体的保护，省去了对焊接成品的退热处理过程；其次，不用焊条，焊接的金属不被直接加热，减少能源损耗，避免加热的麻烦；最后，不需要添加焊剂，省去后期对成品的清洁处理以及环保处理。超声波金属焊接还使用了一种功率电子线路，能够通过电气控制达到高密度的焊接。

1.2 缺点

超声波金属焊接在其发展过程中也产生了一些弊端，值得重视并去研究改善。这些缺点表现为以下几个方面。

1.2.1 结合系统存在问题。超声波金属焊接技术在焊接过程中，要实现多种协作系统的相互配合，形成一个紧密结合的整体系统，这个系统包括超声波发生器、声学系统和机械系统。若整个系统的配合度和協调度不一致，就会导致系统在稳定性、可操作性以及可靠性方面存在一定的问题。

1.2.2 焊机制造困难且对其机理认识不足。由于超声波金属焊接技术能够焊接密度大、厚度高的金属以及异种金属，所以对于实现这种技术的焊机的制造要求较高。相对于传统焊机而言，超声波金属焊机的制造过程更加困难且成本较高，并且由于影响焊接工艺参数的因素较多，不易于对焊机机理的认识和总结。

1.2.3 “开敞性”较差且易出高频振动。超声波金属焊机的“开敞性”比较差，其伸入尺寸被严格限定在焊接所允许的范围内，并且其接头形式仍然只限于搭接接头，还没有在技术上取得进一步的突破。同时，超声波金属焊机在焊接过程中的焊点容易出现高频振动，可能致使成品工件的边缘受损，尤其是硬而脆的材料。

1.2.4 检测困难。对于目前超声波金属焊接技术的发展情况来说，对焊接成品质量的检测还是很难做到的，与其相配套的检测设备还没有普及，而适用于传统焊接技术的检测方法又无法适用于新技术。检测技术跟不上就为大批量的生产制造了一定的困难。

2 超声波金属焊接国内外研究现状

超声波金属焊接技术在国外的发展与国内相比较快且更为全面，国外的研究重点在试验与模拟研究两个方面，而国内的研究多集中在超声波点焊的试验研究方面。

2.1 国外研究现状

首先，在滚焊焊接工艺参数范围方面，英国拉夫堡大学Kong 等人做出了突出贡献，得出可以有效提高焊接线性密度的方法，并且通过大量试验得出埋入合金纤维和光学纤维的最佳处理参数。其次，在测量超声波焊接过程的温度方面，美国俄亥俄州立大学的De Vries通过铝合金薄片材料的试验得出，焊接工艺参数条件与金属熔点有关，而Gunduz等人研究了铝与锌在高温条件下的焊接情况，发现材料空穴聚集与材料扩散率正相关。最后，在超声波金属线焊接的结合强度的影响因素方面，国外科学家也进行了大量实验研究，证实了超声波固接技术是制造多种材料结构的有效方法。

2.2 国内研究现状

首先，在超声波焊接机理方面，华南理工大学机械工程学院的杨圣文和汤勇做出了重要贡献，他们通过SEM图来观察铜片与铜管的超声波焊接，并得出结论：超声波金属焊接过程是一种包括金属键合和机械嵌合等作用的物理冶金过程。其次，在超声波焊接性能的影响因素方面，江苏大学材料科学与工程学院的张春来和王粒粒通过研究表面状态、焊接材料厚度对超声波焊接性能的影响，得出以下结论：表面状态的影响较小，焊接材料厚度与焊接区域温度升高成反比；华南理工大学机械工程学院的张铱洪和马传艺通过研究推导出了焊接区域的理论温度。最后，在焊接性能的模拟分析方面，香港科技大学Yong Ding等人得出焊接区域的应力应变分布，并详细分析了实际焊接情况和摩擦能量与焊点强度之间的关系。以上学者的研究虽然对超声波金属焊接技术在我国的发展做出了贡献，但是研究中也存在着些许不足之处，这就需要今后的研究者去不断地弥补和改善。

3 超声波金属焊接发展趋势分析

超声波金属焊接技术在我国发展较为缓慢并且起步较晚，尚没有大规模应用到实际生产工作当中，而且有关学者和技术人员对其研究多局限在简单的修补工作上，并没有对这项技术的深入发展提供切实可行的理论基础和技术条件。因此，超声波金属焊接技术在我国还有很大的发展空间。目前，已经有越来越多的学者和研究人员致力于这种技术的探讨，具体需要加强的工作有以下几个方面。

第一，大功率换能器技术。该项技术的发展将直接推动超声波金属焊接技术的发展，因为超声波金属焊接技术对功率的需求很大，所以设计和制造大功率转换器是首先要完成的技术突破。第二，焊头材料。如果焊头材料不能满足超声波金属焊机的工作水平，将会影响成品的质量，所以开发出强韧性、高质量、高寿命的焊头材料已经是迫在眉睫。第三，超声波电源技术。超声波金属焊接技术对超声波电源具有很高的要求，提升电源技术，就可以在一定程度上确保焊接成品的质量。第四，超声波焊接技术的推广应用。在国内，被大家普遍认可的是传统焊接技术，对于超声波金属焊接技术的认识还比较少，但随着我国在超声波金属焊接技术上的不断突破，其必将应用于越来越多的领域。

4 结束语

现阶段，超声波金属焊接技术在我国的发展还不太全面，但它拥有着良好的应用前景，无论是在学术研究领域还是技术研究领域，这项技术都会获得不断的突破。今后，超声波金属焊接技术将在我国得到更好的发展，并为我国经济社会发展作出更大的贡献。

参考文献

[1]朱政强，吴宗辉，范静辉.超声波金属焊接的研究现状与展望[J].焊接技术，2010（12）.

[2]涂益民，邱然锋，石红信，等.轻金属材料超声波焊接的研究现状[J].轻合金加工技术，2011（1）.

[3]张铱洪，马传艺，杨圣文，等.铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接机理研究[J].焊接技术，2007（5）.