超聲波金屬焊接機的原理

超聲波金屬焊接機接頭的形成主要由振動剪切力、靜壓力和焊區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、表面狀態及其常溫性能有關。

（1）機械嵌合：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，并呈現犬牙交錯的機械嵌合，這種接合對連接強度起到有利的作用，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，這種機械嵌合作用占主導地位。

（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“公共晶粒”，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。可以認為，在焊接開始時，待焊材料在摩擦功的作用下發生強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造了條件，而繼續的超聲彈性機械振動以及溫升，又進一步造成金屬晶格上的原子處于受激狀態，當金屬原子相互接近到0.1～0.3nm時，就有可能出現原子間相互作用的反應區，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晶、擴散、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，特別是短時間焊接時，接頭中不一定出現再結晶組織強相變，但仍然能夠形成接頭，由此可知，再結晶，擴散和相變不是形成接頭的必要條件。

（4）界面微區的熔化現象：超聲波金屬焊接接時，微區焊接溫度很難測量，不能排除微區中出現局部熔化現象。用高倍透射電子顯微鏡對0.4mm厚的各種Al和Cu接頭進行了微觀組織分析，發現同種材料的焊縫厚度在μm范圍內，焊縫區的晶粒尺寸只有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過塑性變形和低于熔點的不同溫度退火，此時再結晶形成的晶粒均>3μm，而沒有發現更細小的晶粒。當Al和Cu進行超聲波金屬焊接接時，也同樣發現連接區有焊接時新形成的微細晶粒，而且都是等軸晶粒。電鏡分析中還觀察到，在連結區微細晶粒邊界的轉角處有非熔化質點存在，這正是含有非熔化質點的金屬加熱熔化后發生凝固的特點。可以認為，超聲波金屬焊接時，界面薄層或局部發生了短時熔化及隨后的高速冷卻過程。