平板集熱器超聲波焊接工藝解析

平板太陽能熱水器集熱器（集熱板）焊接主要有兩種方式：1.激光焊, 2.超聲波焊。超聲波金屬焊接是利用高頻振動(dòng)傳遞到兩個(gè)需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的滲合，其優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、接合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。下面就詳細(xì)分析一下采用超聲波焊接所需注意的技術(shù)細(xì)節(jié)：

1. 材料選擇及特性要求  
吸熱片：目前國內(nèi)所采用的吸熱片有鋁片和銅片兩種，選擇性吸收膜層工藝主要有：藍(lán)鈦膜﹑黑鉻鍍層﹑陽極氧化。片材厚度為0.12mm-0.5mm，對于超聲波焊接而言，不同厚度及硬度的材料，所需的振幅，壓力及紋路均有不同，這與超聲波焊接的原理相關(guān)，同時(shí)還需考慮超聲波振幅沿垂直于焊頭方向的傳遞衰減。實(shí)際應(yīng)用中，有幾個(gè)基本方向：1.焊接銅材料需要的單位面積能量要比鋁材高；2.焊紋的深度≥片材厚度；整體焊紋寬度∝材料厚度；振幅+壓力∝材料厚度；3.振幅+壓力∝材料硬度。激光焊，根據(jù)其原理，一般選擇較厚的片材，而對于超聲波焊，則不需要選擇厚的材料，只需考慮傳熱效率。舉個(gè)例子：0.12mm厚的藍(lán)鈦膜片，通?？梢赃x擇0.3mm紋深的焊頭，焊縫寬度為2-2.6mm；當(dāng)考慮焊頭磨損壽命時(shí)，也可選擇0.4mm紋深焊頭，焊縫寬度為2.8mm。這里需注意的一個(gè)問題：陽極氧化片材在與銅管接觸的部分，不能有氧化層。
銅管：目前國內(nèi)所采用的銅管主要有Φ8﹑Φ10﹑Φ12三種規(guī)格，還有一些客戶用到9.5等規(guī)格，但并不多見。壁厚范圍：0.45-1.0mm，狀態(tài)有：硬態(tài)﹑半硬態(tài)﹑軟態(tài)。激光焊對于銅管狀態(tài)沒有要求，只對壁厚有要求；超聲波焊則對銅管要求較高，主要是需要一定的機(jī)械強(qiáng)度。為什么超聲波焊對銅管強(qiáng)度要求較高呢？原因在于其工作原理：相對往復(fù)加速度所產(chǎn)生的擠壓擴(kuò)散。我們通常加在所焊工件上的靜壓力為：200N左右，這個(gè)力并不大，但超聲波焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生約50000g的往復(fù)加速度，這個(gè)微觀作用力就很大，焊接時(shí)，材料被這個(gè)力直接成型，同時(shí)伴隨著局部溫升，當(dāng)銅管強(qiáng)度不夠時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生屈服變形，使焊接靜壓力加不到焊件上。所以，我們建議銅管采用硬態(tài)銅管，Φ8銅管壁厚建議為：0.5-0.6mm,Φ10﹑Φ12銅管壁厚建議為：0.6-0.7mm。對于熱管，由于其為半硬態(tài)或軟態(tài)，建議銅管壁厚為：1.0mm。

2.超聲波焊接參數(shù)選擇
對于太陽能滾焊的應(yīng)用，主要參數(shù)：振幅﹑壓力﹑速度（相當(dāng)于焊接時(shí)間）。超聲波輸出功率∝振幅*壓力，所以，某種程度上來說，振幅和壓力是負(fù)相關(guān)的。
振幅：通常我們焊銅片選擇的振幅為：40-50μm ,焊鋁片選擇的振幅為：30-40μm ，同時(shí)，振幅∝材料厚度?；阡X材的機(jī)械強(qiáng)度比銅要差，所以焊鋁的振幅要稍低，約20%。這樣就要求機(jī)器必須有振幅連續(xù)可調(diào)功能。超聲波機(jī)器對于振幅的表述有2種：A.振幅（以微米做單位），B.AMP(以百分比為單位）。很多國內(nèi)所謂的超聲波廠家，沒有理解AMP的真正含義，直接轉(zhuǎn)為功率稱謂,這是錯(cuò)誤的理解，實(shí)際代表的就是振幅。國內(nèi)采用自激線路的焊機(jī)（特征是有個(gè)調(diào)頻電感），不具備連續(xù)調(diào)整振幅的功能（最多也就是變壓器抽頭式調(diào)整，有2-3個(gè)檔位），裝一個(gè)百分比的旋鈕在外面裝樣子。調(diào)整振幅，從電路的角度講，就是調(diào)整換能器的驅(qū)動(dòng)電壓，通?？烧{(diào)范圍為20%-100%，我們選擇的是50%-100%。
壓力：指的是通過氣缸加在焊頭上的靜壓力。這個(gè)壓力通常為：200N左右。壓力∝材料厚度；壓力∝材料硬度。壓力并不是越大越好，通常需根據(jù)焊點(diǎn)的面積﹑材料的厚度﹑材料硬度﹑選擇的振幅來綜合考慮，對于材料的焊接壓縮量，以10-20%為宜。
速度：實(shí)際上就代表焊接時(shí)間。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，焊銅片的速度為：8-9m/min為宜；焊鋁片的速度為：10-12m/min為宜。超聲波的振動(dòng)特性，決定了它既可以焊接，還能夠破壞，所以適宜的速度是很重要的。我們也見到一些不好的機(jī)器，焊接速度很慢，這是因?yàn)檫@些機(jī)器的振幅是達(dá)不到要求的，所以用速度來補(bǔ)償，這樣應(yīng)用是得不償失的。

3.不良焊接現(xiàn)象分析
A. 整體焊不牢：這種情況的出現(xiàn)，主要是參數(shù)不對，超聲波的輸出能量達(dá)不到焊接的要求。另一種情況是所焊接材料存在不利于超聲波焊接工藝的情況，如焊接位置同樣存在陽極氧化膜層。
B. 一部分焊接不牢：首先，我們觀察焊不牢的部位是否有規(guī)律性，如是否相隔固定長度有問題，或者每次都是一個(gè)地方焊不好。焊頭周長是200mm，如果出現(xiàn)200mm的規(guī)律性，那就是焊頭磨損問題。如果都是一個(gè)地方焊不好，最大可能性是那個(gè)部位的夾具夾不緊所造成。
C. 粘鋁：隨著鋁翅片的越來越多的應(yīng)用，很多會(huì)出現(xiàn)這樣的問題。這個(gè)問題的根本原因在于鋁材料的特性：軟﹑與金屬的結(jié)合性較好。我們的經(jīng)驗(yàn)：焊鋁要速度快。當(dāng)出現(xiàn)鋁粘到焊頭的情況時(shí)，用焊頭在銅管上多滾幾道，利用鋁與銅的結(jié)合特性比鋼好的特點(diǎn)來去除粘鋁。



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