超聲波焊接在線束中的應(yīng)用

來源：?作者：線束世界-Jimmy?2021-03-26 12:33

一、超聲波焊接在汽車行業(yè)的發(fā)展

1955年美國航空部在登月項目中由美國Sonobond公司前身AerospaceProject發(fā)明超聲波金屬焊接技術(shù)。

80年代后，超聲波金屬焊接技術(shù)就廣泛應(yīng)用于線束焊接（重點是汽車行業(yè)的低壓及通訊線束）。小于30mm2的銅線與銅線焊接。

2016年以后，由于電動汽車行業(yè)的變革，高壓線在汽車?yán)飸?yīng)用已成為非常重要的領(lǐng)域。國際上先進(jìn)技術(shù)開始用超聲波焊接全面替代壓接，成為更穩(wěn)定，更安全的連接方式

二、超聲波焊接與壓接技術(shù)對比

對比項	超聲波焊接	壓接
原理	金屬分子晶格結(jié)構(gòu)重組	塑性變形
初態(tài)電阻（以70mm2線＋連接器為例）	1-3 μΩ，刺穿表面氧化膜	10-20 μΩ，塑性變形，銅線絲是獨立的，銅絲表面氧化膜存在，膜電阻一直存在
長期熱（拉力/電阻）穩(wěn)定性	穩(wěn)定的一體化的結(jié)構(gòu)。 ?10000次熱循環(huán)后，沒有出現(xiàn)明顯變化	塑性變形在整個生命周期內(nèi)一直存在。 ?（銅線線絲變細(xì)變長變松=>電阻變大，發(fā)熱加劇一次熱循環(huán)=>?一次熱脹冷縮=>?一次壓接） ?2000-3000次熱循環(huán)后電阻就會出現(xiàn)拐點，是壓接極限
容差能力及量產(chǎn)要求 ?－材料影響 ?－尺寸影響	容差能力大 ?－材料特性微小變化對焊接無影響 ?－端子尺寸公差要求不高，線絲線徑容差能力大	容差能力小 ?－材料特性影響材料的延展性，延展性微小差異嚴(yán)重影響壓接一致性 ?－壓接套尺寸要求高，銅絲線徑尺寸公差影響壓接質(zhì)量大
長期外力震動作用下的穩(wěn)定性 ?（Exp.? Slow Motion測試）	拉力/電阻穩(wěn)定	拉力/電阻不穩(wěn)定 ?－拉力會持續(xù)下降，電阻持續(xù)上升 ?－在長期受到外力和震動下，壓接點銅線線絲變細(xì)變長變松
拉力 ?（以70mm2線＋連接器為例）	大，且長期穩(wěn)定 ?USCAR 38?，2700N	小，且持續(xù)下降 ?UL486A，1235N ?Exp.?有壓接拉力不夠，加錫焊以增加拉力的案例
工藝適用線材范圍	0.75-25mm2?，16mm2-80mm2?，70mm2-160mm2	0.25mm2-35mm2??，50mm2 ?以上不適合壓接
工藝適用范圍	不同材質(zhì)：鋁＋銅， ?不同形式：板材＋板材，線材＋線材 ?以上均適用于超聲波焊接	只能壓接同種材質(zhì)； ?線材與線材的壓接必須通過壓接套； ?板材與板材不可壓接 ?適用范圍窄／成本增加

三、超聲波焊接原理

1,?超聲波發(fā)生器（配件1）將電能通過內(nèi)部整流、變壓、專用功率管放大成20KHz的高壓電源，再設(shè)計低阻值導(dǎo)線，輸出給壓電陶瓷式換能器(配件2).

2, 壓電換能器中的壓電陶瓷在高壓電源的電極下，產(chǎn)生徑面振動，振動通過上下金屬蓋板傳導(dǎo)到換能器工作面，根據(jù)工作需要換能器蓋板可做成放大形狀，將陶瓷的振動振幅做初步放大。（如有需要可再連接變幅桿做振幅二次放大）。

3, 換能器的振動傳遞到專用耦合器（配件3）上，拉動耦合器的運動桿（配件3）做橫向振動。

4, 焊頭安裝在橫向振動端，超聲作用時，在振動桿的垂直方向，向下施加壓力給耦合器、壓力方向與超聲振動方向相互垂直，達(dá)到摩擦焊接的作用。

四、超聲波檢驗標(biāo)準(zhǔn)

拉力和撕拉力的首檢、例檢和末檢

首檢：采用一根短樣進(jìn)行拉力或撕拉力首檢。

若首檢拉力或撕拉力值在表的綠色區(qū)域，開始生產(chǎn)；

若首檢拉力或撕拉力值在表的黃色區(qū)域，重新采用一根短樣進(jìn)行拉力或撕拉力測試，若重測短樣數(shù)值落在綠色區(qū)域，可以開始生產(chǎn)；若重測短樣數(shù)值落在黃色區(qū)域，調(diào)整參數(shù)之后重新首檢；若重測短樣數(shù)值落在紅色區(qū)域，停產(chǎn)檢查，之后重新首檢。歐洲項目撕拉力值必須在綠色區(qū)域才可以生產(chǎn)；

若首檢拉力或撕拉力值落在表的紅色區(qū)域，停產(chǎn)檢查，之后重新首檢。

例檢和末檢

拉力測試：如該批次生產(chǎn)數(shù)量≤200pcs，不做例檢和末檢；如200pcs﹤該批次生產(chǎn)數(shù)量≤400pcs，需做末檢，不做例檢；如該批次生產(chǎn)數(shù)量>400pcs，需做例檢和末檢，且例檢頻率為每400pcs檢查一個短樣；

撕拉力測試：例檢頻率為每400pcs檢查一個短樣，如該批次≤400pcs，需做末檢，不做例檢；

例檢和末檢時，拉力和撕拉力值要在黃色或綠色區(qū)域，若發(fā)現(xiàn)在紅色區(qū)域，在此段時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品以紅牌控制，產(chǎn)品按評審意見處理；

超聲波焊接控制要求

操作工完成首件后，若首件檢驗合格，則將首件做好標(biāo)識，標(biāo)識上應(yīng)寫明日期、時間、看板號、操作工工號、機器號，質(zhì)量人員對無自檢資格員工的首件進(jìn)行確認(rèn)。

如果確認(rèn)時發(fā)現(xiàn)問題則用紅牌標(biāo)識，并隔離產(chǎn)品，按《不合格品的控制》文件處理

操作工在合格的成品看板標(biāo)簽上必須寫明日期、數(shù)量、看板號、操作者工號

需注意：超聲波焊接兩端的線芯頭部均要與焊接工具頭平齊，且盡量保證大線徑在下，方可開始焊接

合格標(biāo)準(zhǔn)

1，無松散開的芯線

2，呈矩形形狀

3，熔焊長度等于或大于5.0mm(參考值)

4，熔焊邊緣到導(dǎo)線絕緣層之間距離為2.0-5.0mm（參考值）

5，無過燒/熔化的絕緣層

6，無焊瘤

7，芯線沒有重復(fù)疊在導(dǎo)線絕緣層上

8，導(dǎo)線沒有彎曲，導(dǎo)線自熔核處呈直線引出

標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)允許的偏差

1. 小量焊瘤，其不會刺穿防護(hù)的覆蓋層

2. 過燒/熔化的導(dǎo)線絕緣不嚴(yán)重（能被絕緣覆蓋膠帶，模壓塑模等蓋?。?/section>

3. 對于16芯線或更多芯導(dǎo)線，每根導(dǎo)線缺失線數(shù)不超過10%（近似至最近整數(shù)）

不合格標(biāo)準(zhǔn)

1，超量過燒/熔化的絕緣層

2，線芯末端伸展至復(fù)疊在導(dǎo)線絕緣層上

3，超量焊瘤，會刺穿防護(hù)覆蓋物

4，一股或多股松散開的芯線

5，熔焊過程造成的一股或多股斷頭線芯

6，導(dǎo)線彎曲，導(dǎo)線自溶合處不是呈直線引出（僅用于壓接完成的瞬間）

7，對于16芯或者更多芯導(dǎo)線，缺失芯線數(shù)超過10%

8，一股或多股會刺穿壓接透覆蓋層的綻裂開的芯線（將綻裂開的芯線復(fù)回原位后是可接收的）

五、超聲波工藝有效嚴(yán)重（參考USCAR 38)

1, 量產(chǎn)的工藝控制-CPK測試（拉力）

Cpk：ComplexProcess Capability Index 的縮寫，是現(xiàn)代企業(yè)用于表示支撐制程能力的指標(biāo)。制程能力強才可能穩(wěn)定地生產(chǎn)出質(zhì)量、可靠性高的產(chǎn)品。

Uscar38要求衡量過程能力，判斷過程是否可行。Cpk可以保證過程受控，1.67的Cpk值可以預(yù)測99.9999%?的制程良率。

Cpk值計算公式：Cpk=（樣品平均值-要求最低拉力值）/樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差，cpk必須大于1.67

影響cpk高低的因素由樣品平均值及樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小決定，因此要想保證CPK達(dá)標(biāo)，拉力的平均值要達(dá)到要求最低拉力值的2~3倍。

2, 剖面測試

剖面分析可以提供直接證據(jù)證明超聲波焊接是否統(tǒng)一和牢固，以保證連接功能，將剖面分析和現(xiàn)有好的剖面進(jìn)行對比評估。它也可以作為輔助診斷工具來判定焊接為什么沒有通過該測試。若焊接不充分或焊接過度，都可能導(dǎo)致達(dá)不到本標(biāo)準(zhǔn)中的電氣和機械要求，這些可以通過10X 及以上放大鏡觀察識別出來