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傳遞到兩個需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的滲合，其優點在于快速、節能、接合強度高、導電性好、無火花、接近冷態加工。下面就詳細分析一下采用超聲波焊接所需注意的技術細節：

1. 材料選擇及特性要求  
吸熱片：目前國內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，同時還需考慮超聲波振幅沿垂直于焊頭方向的傳遞衰減。實際應用中，有幾個基本方向：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。舉個例子：0.12mm厚的藍鈦膜片，通?？梢赃x擇0.3mm紋深的焊頭，焊縫寬度為2-2.6mm；當考慮焊頭磨損壽命時，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：目前國內所采用的銅管主要有Φ8﹑Φ10﹑Φ12三種規格，還有一些客戶用到9.5等規格，但并不多見。壁厚范圍：0.45-1.0mm，狀態有：硬態﹑半硬態﹑軟態。激光焊對于銅管狀態沒有要求，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械強度。為什么超聲波焊對銅管強度要求較高呢？原因在于其工作原理：相對往復加速度所產生的擠壓擴散。我們通常加在所焊工件上的靜壓力為：200N左右，這個力并不大，但超聲波焊接時會產生約50000g的往復加速度，這個微觀作用力就很大，焊接時，材料被這個力直接成型，同時伴隨著局部溫升，當銅管強度不夠時，將會產生屈服變形，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，由于其為半硬態或軟態，建議銅管壁厚為：1.0mm。

2.超聲波焊接參數選擇
對于太陽能滾焊的應用，主要參數：振幅﹑壓力﹑速度（相當于焊接時間）。超聲波輸出功率∝振幅*壓力，所以，某種程度上來說，振幅和壓力是負相關的。
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，振幅∝材料厚度。基于鋁材的機械強度比銅要差，所以焊鋁的振幅要稍低，約20%。這樣就要求機器必須有振幅連續可調功能。超聲波機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）。很多國內所謂的超聲波廠家，沒有理解AMP的真正含義，直接轉為功率稱謂,這是錯誤的理解，實際代表的就是振幅。國內采用自激線路的焊機（特征是有個調頻電感），不具備連續調整振幅的功能（最多也就是變壓器抽頭式調整，有2-3個檔位），裝一個百分比的旋鈕在外面裝樣子。調整振幅，從電路的角度講，就是調整換能器的驅動電壓，通?？烧{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，通常需根據焊點的面積﹑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：實際上就代表焊接時間。根據我們的經驗，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器，焊接速度很慢，這是因為這些機器的振幅是達不到要求的，所以用速度來補償，這樣應用是得不償失的。

3.不良焊接現象分析
A. 整體焊不牢：這種情況的出現，主要是參數不對，超聲波的輸出能量達不到焊接的要求。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律性，如是否相隔固定長度有問題，或者每次都是一個地方焊不好。焊頭周長是200mm，如果出現200mm的規律性，那就是焊頭磨損問題。如果都是一個地方焊不好，最大可能性是那個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用，很多會出現這樣的問題。這個問題的根本原因在于鋁材料的特性：軟﹑與金屬的結合性較好。我們的經驗：焊鋁要速度快。當出現鋁粘到焊頭的情況時，用焊頭在銅管上多滾幾道，利用鋁與銅的結合特性比鋼好的特點來去除粘鋁。



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