Investigación y perspectivas de la tecnología de soldadura ultrasónica
Resumen: La soldadura ultrasónica tiene ventajas sobresalientes como ahorro de energía, protección ambiental y fácil operación, y ha atraído cada vez más la atención de la gente. La soldadura ultrasónica se ha utilizado ampliamente en muchos campos. Se introducen brevemente los principios básicos de la soldadura ultrasónica. Se resume el desarrollo de la soldadura ultrasónica doméstica y se prospecta el desarrollo de la soldadura ultrasónica.
Palabras clave: Estado actual de la investigación sobre soldadura ultrasónica
0 Introducción
En 1950, los estadounidenses inventaron la tecnología de soldadura ultrasónica como tecnología de conexión especial, que se utiliza ampliamente. Utilizado en la producción industrial. Además, la tecnología de soldadura ultrasónica también se utiliza ampliamente en la industria electrónica, fabricación de electrodomésticos, equipos de nuevos materiales, industrias aeroespacial y de energía nuclear, cajas de envasado de alimentos, tecnología de sellado de piezas avanzadas, etc. Las ventajas de la soldadura ultrasónica son el ahorro de energía, la protección del medio ambiente y la fácil operación. Esta tecnología ha desempeñado un papel enorme en la promoción de la construcción en mi país de una sociedad que ahorre recursos y sea respetuosa con el medio ambiente.
1 Principios y características de la soldadura ultrasónica [1]
Como método de soldadura especial, la soldadura ultrasónica generalmente se refiere al uso de energía de vibración mecánica a una frecuencia ultrasónica (superior a 16 KHZ) para conecte metales, semiconductores, plásticos y cermets iguales o diferentes. Al soldar metal con ondas ultrasónicas, por un lado, no es necesario hacer pasar corriente a través de la pieza de trabajo y, por otro lado, no se introduce ninguna fuente de calor de alta temperatura en la pieza de trabajo. Durante el proceso de soldadura, bajo la acción de la presión estática, la energía de vibración elástica se convierte en trabajo de fricción, energía de deformación y aumento limitado de temperatura entre las piezas de trabajo. La unión metalúrgica entre uniones se logra sin que el material base se derrita, por lo que la soldadura ultrasónica es una soldadura de estado sólido.
Bajo la acción del generador ultrasónico, la corriente de frecuencia industrial se convierte aún más en una corriente oscilante con una frecuencia ultrasónica de (15 ~ 16 kHz) d. El transductor convierte la energía electromagnética en maquinaria elástica a través del magnetoestrictivo. efecto de vibración. La función del amplificador es amplificar la amplitud y al mismo tiempo acoplarse con la pieza de trabajo a través de la varilla de acoplamiento y el electrodo acústico superior. Si las frecuencias naturales del transductor, amplificador, varilla de acoplamiento y sonotrodo superior son consistentes entre sí, en este caso, el sistema resonará, transfiriendo así energía de vibración elástica a la pieza de trabajo con presión estática f, y las dos piezas delgadas pasarán a través de Esta conversión de energía mantiene las cosas juntas.
2 Estado de la investigación nacional
2.1 Estado de la investigación de la soldadura ultrasónica de metales
Cui Yan [2] estudió la aplicación de la soldadura ultrasónica en la reparación por soldadura de tanques de aluminio parts, realizó un análisis detallado de la soldabilidad del aluminio y sus aleaciones. Él cree que un factor importante para garantizar una calidad estable de la unión de soldadura es la precisión de la frecuencia de resonancia. Durante el proceso de soldadura ultrasónica, dado que la carga mecánica es variable, la desafinación se producirá de forma aleatoria, lo que hará que la calidad de la unión de soldadura sea inestable. Según las características de la soldadura ultrasónica, se han formulado las especificaciones de soldadura correspondientes. Una gran cantidad de experimentos han demostrado que la soldadura ultrasónica de aluminio y aleaciones de aluminio puede eliminar eficazmente la densa película de óxido de la superficie del metal, garantizando así la calidad de la soldadura.
Yang Shengwen et al. de la Universidad Tecnológica del Sur de China [3] derivaron la fórmula teórica de temperatura regional de uniones de soldadura ultrasónica de colectores solares de láminas y tubos de cobre y midieron la temperatura del área de soldadura utilizando termopares artificiales. , y analizó la temperatura medida. Las razones de la desviación se compararon y analizaron con imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEW), y se estudió el mecanismo de formación de la junta de soldadura ultrasónica de lámina de cobre y tubo de cobre. Los resultados muestran que la soldadura ultrasónica es un proceso físico metalúrgico que forma una unión basándose en dos factores: alta temperatura en las puntas de los microdientes en el área de la unión y adhesión completa de la superficie de metal puro después de la deformación plástica.
Zhang [4] de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing estudió el proceso de soldadura por difusión de estado sólido de metales diferentes 1Cr18Ni9Ti y TC4, y adoptó la difusión de estado sólido con carga ultrasónica. proceso de soldadura sobre la base existente. Los resultados del examen metalográfico muestran que el acero inoxidable y el titanio forman una buena conexión mediante el proceso de soldadura por difusión de carga ultrasónica.
Yan Jiuchun, Sun et al. del Instituto de Tecnología de Harbin [5]. Se investiga una estructura que sea adecuada para estructuras complejas y que pueda conectarse de forma fiable en un entorno abierto. ¿Tecnología de soldadura fuerte asistida por vibración ultrasónica? También se presentan los resultados preliminares de las pruebas sobre compuestos de matriz de aluminio, aleaciones de aluminio, soldadura cerámica/aluminio y vidrio/aluminio. Los resultados de la soldadura muestran que la aplicación de una vibración ultrasónica adecuada durante la soldadura fuerte puede eliminar eficazmente la película de óxido en la superficie del metal base, promoviendo aún más la humectación del metal base y la soldadura.
En un ambiente atmosférico de baja temperatura se obtuvieron uniones con buena microestructura y propiedades mecánicas.
Zhu et al. [6] de la Universidad de Nanchang utilizaron el método de difracción por retrodispersión de electrones (EBSD) para estudiar los cambios microestructurales de la aleación de aluminio AA6061 bajo soldadura ultrasónica, profundizando la comprensión de la soldadura ultrasónica de metales desde una perspectiva microscópica. . Mediante experimentos, se obtuvo el mapa de distribución de la diferencia de orientación entre el papel de aluminio original y el papel de aluminio soldado. Al analizar la orientación del grano, la estructura del grano y las características de los límites del grano, podemos comprender el impacto de la soldadura ultrasónica en la microestructura y la estructura de las aleaciones de aluminio.
2.2 Estado de la investigación de la soldadura ultrasónica no metálica
Guo Yufeng[7]12? mTereftalato de polietileno (PET)/30? Se estudió el proceso de soldadura ultrasónica de una película de polietileno (PE) M y se encontró que la amplitud de soldadura era de 2-10? m tiene poco efecto sobre la resistencia al termosellado de la junta soldada cuando la amplitud de soldadura es 4-7? La resistencia máxima del termosellado de la junta soldada aparece en m. A medida que aumenta el tiempo de soldadura y aumenta la presión de soldadura, la resistencia del termosellado de la junta soldada primero aumenta y luego disminuye. Al analizar la cristalinidad de la zona de soldadura bajo diferentes parámetros del proceso, los resultados muestran que la cristalinidad de la unión afecta la resistencia del termosellado de la unión soldada con película de PET/PE. A medida que aumentan el tiempo de soldadura, la amplitud de la soldadura y la presión de soldadura, la cristalinidad. de la muestra de la zona de soldadura aumenta primero disminuye y luego aumenta, mientras que la resistencia al termosellado de la junta soldada aumenta primero y luego disminuye.
Zhao Gang[8] y otros estudiaron la aplicación de la soldadura ultrasónica en el embalaje de sensores de automóviles. Resumen: A través de la selección de materiales y métodos de soldadura, el diseño de uniones y herramientas de soldadura y el diseño de procesos de fabricación, se explica el método de realización del embalaje de sensores automotrices.
Zhao Shibin [9] estudió la aplicación de la soldadura ultrasónica en conectores. Este artículo presenta brevemente el principio de la soldadura ultrasónica, los métodos de diseño y los puntos clave de la superficie de la junta, así como la aplicación específica y el alcance de uso en conectores.
Nie Zhongming [10] de la Universidad Politécnica Northwestern estudió la soldadura ultrasónica de electrodos y cables de contacto de semiconductores CdZnTe de alta resistencia (denominados CZT). Se cree que después del tratamiento superficial de pulido mecánico de la oblea CZT, la tasa de unión ultrasónica del electrodo de oro preparado mediante pulverización iónica y el cable exterior es mayor, y el espesor del electrodo que puede obtener la mejor calidad de unión de soldadura es de 180 nm. Además, una vez determinado el proceso de preparación del electrodo de contacto CZT, la presión de acuñamiento se convierte en el factor principal que afecta la calidad de la soldadura ultrasónica entre el electrodo de contacto CZT y el cable, y la potencia de soldadura es un factor secundario.
3 Resumen
Actualmente no existe un conocimiento suficiente del mecanismo de soldadura ultrasónica de metales. ¿La soldadura de metales por ultrasonidos es un método de soldadura de estado sólido o de metal a metal? Queda por investigar más a fondo si existe una combinación de fusión de metal durante el proceso de soldadura. Además, aunque la aplicación de ondas ultrasónicas en la soldadura de materiales tiene buenos efectos de soldadura, todavía existen problemas en términos de estabilidad, operabilidad y confiabilidad para todo el sistema que consta de generadores ultrasónicos, sistemas acústicos y sistemas mecánicos, por lo que el diseño de la acústica. El sistema y la forma en que el sistema acústico está conectado a la muestra son muy importantes. Además, estudiar la influencia de la vibración ultrasónica en los granos y la textura desde una perspectiva micromecánica también es una dirección importante.
Materiales de referencia:
[1] Li Xiaoming, Li Yansheng, Han Jingyun. Investigación sobre el método de creación rápida de prototipos basado en tecnología de soldadura por ultrasonidos [J] Máquinas Herramientas e Hidráulica, 2007, 35 (3): 4-6.
Cui Yan. Aplicación de la soldadura ultrasónica en el mantenimiento de piezas de tanques de almacenamiento de aluminio [J Industrial Technology and Economics, 2000, 19(3):114-116.
Yang Shengwen, Wu Zequn, Chen Pingchi. Estudio experimental sobre soldadura ultrasónica de colectores solares de láminas y tubos de cobre [J] Welding, 2005 (9): 32-35.
Zhang. Soldadura por difusión ultrasónica de titanio y acero inoxidable [J]. Ingeniería mecánica y automatización, 2008(1):125-127.
Yan Jiuchun, Sun. Tecnología de soldadura fuerte asistida por vibración ultrasónica [J]. Soldadura, 2009 (3): 6-12.
Zhu, Ma, Ye Haimei. Análisis de la evolución de la microestructura de la soldadura ultrasónica de la aleación de aluminio AA6061 [A]. .
Guo Yufeng. Soldadura ultrasónica de películas de tereftalato de polietileno/polietileno [J]. Tecnología de materiales aeroespaciales, 2010 (4): 53-55.
Zhao Gang, Cao Zhi, Dong Shuanghui.
Aplicación de la soldadura ultrasónica en el embalaje de sensores de automóviles [J]. Revista del Instituto de la Industria Aeronáutica de Shenyang, 2007 (4): 25-28.
Zhao Shibin. Aplicación de soldadura ultrasónica en conectores[J]. Componentes electromecánicos, 2006 (4): 36-39.
Nie Zhongming, Liv, Vicky, Cha Gangqiang. Soldadura ultrasónica de electrodo de contacto y plomo de CdZnTe [J]. Revista de la Sociedad China de Metales No Ferrosos, 2009, 19 (5): 919-923.
La aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica en el diseño de productos industriales
Al elaborar los principios de la tecnología de soldadura ultrasónica, se analizan los factores que influyen en las ondas ultrasónicas y las ventajas y desventajas de la soldadura ultrasónica. Se analiza la tecnología. Este artículo combina la práctica de diseño del autor para discutir el desarrollo de la tecnología de soldadura ultrasónica y explora campos de aplicación futuros basados en la tecnología de soldadura ultrasónica.
Tecnología de soldadura ultrasónica; productos industriales
¿La aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica en el diseño de productos industriales? Explora
He Jun-Hua 1-Juan 2-Shuang 3 Weng Mao-Hong 1 Guan Jun 1 Gong Yun 1
(1. Facultad de Ingeniería, Universidad Agrícola de Zhejiang; Universidad F , Lin ?An Zhejiang, 311300, China;
2. Facultad de Agricultura y Ciencias de los Alimentos, Universidad Agrícola de Zhejiang; Lin? An Zhejiang, 311300, China;
3. Escuela Universitaria de Arquitectura y Arquitectura del Paisaje; Universidad F, Lin? An Zhejiang, 311300, China)
El artículo analiza la tecnología de soldadura ultrasónica elaborando los principios de la soldadura ultrasónica y los factores que influyen en las sondas ultrasónicas. Combinado con las ventajas y desventajas de la práctica laboral del autor. En combinación con la práctica del diseño, se analiza el desarrollo de la tecnología de soldadura ultrasónica y, sobre esta base, se analizan las perspectivas de aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica.
Palabras clave ultrasonidos; tecnología de soldadura; productos industriales
En la producción de productos industriales, se utilizan a menudo algunos materiales industriales, como plásticos, metales, madera y otros materiales industriales. En la vida diaria, a menudo vemos que un producto no está hecho de un solo material; a menudo vemos que un producto se compone de varias partes y que hay espacios entre las partes. Esto no solo afectará el producto, sino que también afectará la calidad. la belleza del producto. Esto requiere soldarlos entre sí. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las personas tienen requisitos cada vez mayores en cuanto a la tecnología de soldadura. En la actualidad, la tecnología de soldadura tradicional no sólo tiene un alto coste, sino que también tiene una baja calidad de soldadura y a menudo se producen pequeñas grietas. Por lo tanto, la gente espera adoptar nuevas tecnologías de soldadura para mejorar la calidad del producto.
En 1943, Behl de Estados Unidos inventó la soldadura ultrasónica basándose en resumir teorías y prácticas anteriores, lo que impulsó el desarrollo de la tecnología de soldadura ultrasónica. Debido a que la tecnología de soldadura ultrasónica tiene las ventajas de ahorro de energía, no necesita dispositivos de eliminación de humo, no necesita accesorios de soldadura, bajo costo, alta eficiencia, buen sellado y fácil realización de producción automatizada, la tecnología de soldadura ultrasónica se está desarrollando cada vez más rápido.
1 El estado actual de la aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica en productos industriales
Para productos industriales con requisitos de alta precisión, como la industria aeroespacial, de energía nuclear y la industria electrónica, es difícil cumplir Los requisitos tecnológicos utilizando tecnología de soldadura tradicional, alto costo y baja eficiencia. En la actualidad, la tecnología de soldadura ultrasónica se utiliza ampliamente en diversas industrias, como maquinaria médica, embalaje, hardware y otras industrias, también hay muchos productos que se pueden soldar, como autopartes, lentes ópticas, discos USB, etc.
Principios y características de la tecnología de soldadura por ultrasonidos
El ultrasonido es una onda sonora con una frecuencia superior a los 20.000 Hz, por lo que tiene una gran energía. La soldadura ultrasónica es un método de soldadura especial que utiliza energía de vibración mecánica a una frecuencia ultrasónica (por encima de 20000 Hz) para conectar metales, semiconductores, plásticos y cermets iguales o diferentes [1]. Cuando las ondas ultrasónicas actúan sobre la superficie de los plásticos termoplásticos, producirán vibraciones de alta frecuencia decenas de miles de veces por segundo. Esta vibración de alta frecuencia con una cierta amplitud transmitirá energía ultrasónica al área de soldadura a través de la soldadura superior y, debido a la resistencia acústica relativamente grande en el área de soldadura, es decir, la interfaz entre las dos soldaduras, las altas temperaturas locales serán generado. Debido a la mala conductividad térmica de los productos plásticos, la energía acumulada no se puede disipar a tiempo, por lo que la energía se concentrará en el área de soldadura, lo que hará que las superficies de contacto de los dos plásticos se derritan rápidamente y, después de cierta presión, se fusionarán en uno. Cuando las ondas ultrasónicas se detengan, deje que la presión continúe durante unos segundos para solidificarse y formarse, formando así una cadena molecular sólida para lograr el propósito de soldar.
En la soldadura ultrasónica de metal, no se aplica corriente ni fuente de calor de alta temperatura a la pieza de trabajo. En cambio, bajo la acción de la presión estática, la energía de vibración elástica se convierte en trabajo de fricción, energía de deformación y aumento limitado de temperatura de la interfaz de la pieza de trabajo. , haciendo que el área de soldadura Los átomos de metal se activen instantáneamente y las moléculas en la interfaz de dos fases penetren entre sí, logrando finalmente la conexión sólida de las piezas de soldadura de metal. El diagrama esquemático del principio de soldadura se muestra en la Figura 1 [2].
2.1 Ventajas de la tecnología de soldadura ultrasónica
En comparación con la tecnología de soldadura tradicional, la tecnología de soldadura ultrasónica tiene las siguientes ventajas: (1) Velocidad de soldadura rápida, alta precisión de soldadura y alta resistencia de la unión de soldadura (2) Amplio rango de soldadura, buena estabilidad y pequeña deformación de la pieza soldada (3) La superficie de la pieza soldada es limpia, hermosa, plana y lisa (4) La soldadura no requiere fundente, no contamina; la pieza de trabajo, y no produce gases nocivos, es un método de soldadura respetuoso con el medio ambiente (5) Al soldar, solo se requiere menos energía para soldar, con bajo consumo de energía (6) Operación simple, bajo costo, alta eficiencia y buena; rendimiento de sellado.
Figura 1 Diagrama esquemático del principio de soldadura de metales por ultrasonidos
2.2 Desventajas de la tecnología de soldadura por ultrasonidos
Aunque la tecnología de soldadura por ultrasonidos tiene muchas ventajas, también tiene desventajas , al que hay que prestar atención. La tecnología de soldadura ultrasónica tiene las siguientes deficiencias: (1) La comprensión del mecanismo de soldadura ultrasónica no es lo suficientemente completa (2) Al soldar metal, la soldadura no debe ser demasiado gruesa (3) Hay muchos factores que afectan la soldadura ultrasónica; proceso, que es difícil de analizar y resumir; (4) Algunas máquinas de soldadura ultrasónica de alta potencia son costosas y difíciles de fabricar (5) La calidad de las piezas soldadas es difícil de detectar, lo que dificulta la producción en masa; 3 factores que afectan la calidad de la soldadura ultrasónica
Aunque la tecnología de soldadura ultrasónica tiene muchas ventajas, su calidad de soldadura está relacionada con factores como la cantidad de fusión y el material, que incluyen principalmente los siguientes factores, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Factores que afectan la calidad de la soldadura ultrasónica
(1) Material del material de soldadura: en términos generales, la calidad de la soldadura está relacionada con las propiedades físicas y la modificación del material. Las propiedades físicas de los materiales incluyen módulo elástico, coeficiente de fricción, conductividad térmica, punto de fusión, etc. La calidad de la soldadura de un objeto es directamente proporcional al módulo elástico, el coeficiente de fricción y la conductividad térmica del material, e inversamente proporcional a su densidad y punto de fusión. La modificación del material se refiere a agregar algunos rellenos en condiciones de proceso apropiadas para mejorar las propiedades originales del material y hacer que cumpla con los requisitos del cliente. En condiciones de proceso adecuadas, agregar algunos materiales con propiedades similares puede mejorar la resistencia de las uniones soldadas.
(2) La superficie de contacto entre el cabezal de soldadura y la pieza soldada: la limpieza de la superficie de soldadura y la rugosidad de la superficie del material afectarán la calidad de la soldadura. Aumentar la rugosidad de la superficie del material puede mejorar la calidad de la soldadura; cuanto más limpia esté la superficie de soldadura, mayor será la calidad de la soldadura.
(3) Otros factores: los parámetros del proceso de soldadura, la estructura de las piezas soldadas, la forma de la conexión, la cantidad de fusión durante la soldadura, la potencia de las ondas ultrasónicas, etc. Para lograr el mejor efecto de soldadura, estos factores deben considerarse de manera integral durante la etapa de desarrollo del producto.
4 Casos de aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica en el diseño de productos industriales
Como se mencionó anteriormente, el desarrollo de productos basados en la tecnología de soldadura ultrasónica debe primero considerar de manera integral los factores que afectan la calidad de la soldadura y luego producir diseñar elementos basándose racionalmente en las perspectivas del mercado, los costos del producto, los requisitos de tecnología de producción y otras condiciones.
El siguiente es solo un caso de diseño: la tecnología patentada de soldadura ultrasónica de plástico y metal inventada por Apple en los Estados Unidos. Desde una perspectiva práctica, podemos entender la aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica en la práctica. Desventajas de la tecnología original: Antes de la invención de esta tecnología patentada, todos los dispositivos portátiles (como los teléfonos móviles) no podían fusionar metal y plástico, por lo que algunas piezas no podían sustituirse por piezas de plástico. Los teléfonos móviles producidos de esta manera no sólo tienen un aspecto voluminoso y aburrido, sino que también carecen de personalidad, libertad y flexibilidad en el diseño. Además, el coste de producción es alto, el funcionamiento es complicado y el uso es inconveniente. Si hay demasiadas operaciones de botón, el contacto fallará. Solución: Utilizando una nueva tecnología de soldadura ultrasónica de plástico y metal, algunas partes internas del teléfono móvil están hechas de plástico, lo que reduce el peso del teléfono móvil y reduce la cantidad de metal utilizado. La carcasa adopta un proceso de moldeado de una sola vez, lo que la hace más concisa y suave, fácil de operar, de diseño flexible y brinda a las personas una sensación grandiosa y de alta gama. La tecnología avanzada de soldadura ultrasónica generalmente utiliza múltiples tecnologías de fusión de materiales, lo que hace que el diseño sea más libre y flexible. Las líneas de diseño son minimalistas y los colores claros, dando a las personas una sensación relajada y agradable. La estructura está más en línea con el principio de funcionamiento de la soldadura ultrasónica y la calidad de la soldadura es mejor.
Resumen y perspectivas de la aplicación de la tecnología de soldadura por ultrasonidos.
A través de esta investigación, el autor estudió la aplicación de la tecnología de soldadura ultrasónica a través de su propia comprensión de la tecnología de soldadura ultrasónica. Debido a las condiciones limitadas, todavía existen deficiencias en la investigación y el proceso de investigación. Aquí se resumen los problemas y soluciones involucrados en la investigación para allanar el camino para futuras investigaciones. En cuanto a los problemas de calidad de la soldadura, llegamos a la conclusión de que durante el proceso de soldadura, la superficie de contacto debe mantenerse limpia y la superficie del material debe mantenerse rugosa. Comprender las necesidades del usuario, diseñar para usuarios específicos, diseñar una variedad de formas de apariencia diferentes y personalizar el diseño para diferentes clientes, también debemos considerar temas interesantes, diseñar productos más interesantes y crear un ambiente relajado y agradable; En vista de las perspectivas de la tecnología de soldadura ultrasónica en el diseño de productos, el autor descubrió que se puede agregar una función de reproducción de música al trabajo para que el proceso de soldadura sea relajado y agradable. La futura tecnología de soldadura por ultrasonidos también será más fácil de usar.
Referencia
Guan feldespato, Fei. Principio y práctica de la soldadura ultrasónica [J]. Diseño y fabricación mecánicos, 2004 (6).
Zhu, Wu, Fan Jinghui. Estado de la investigación y perspectivas de la soldadura ultrasónica de metales [J]. Tecnología de soldadura, 2010, 39 (12).