大直徑電感與導線超聲波金屬焊接的研究

周斌楠　張敏

摘? 要：針對超聲波金屬焊接目前只適用于絲，箔，片等薄件的連接，絕大多數情況下只適用于搭接接頭，線材和線材間，線材和薄板件間的連接。在銅棒與導線間超聲波金屬焊接的研究，我們做了深入分析。本研究采用不同的振動能量，研究銅棒與2.5平方的線材和3平方的線材的結合可靠性。結果證明，大直徑電感類產品銅棒與金屬銅導線的連接，采用超聲波金屬焊接的可行性是比較高的。

關鍵詞：超聲波金屬焊接;大直徑電感;銅導線

中圖分類號：TG453.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0101-04

Abstract： At present， ultrasonic metal welding is only suitable for the connection of wire， foil， sheet and other thin parts. In most cases， it is only suitable for the connection between lap joint， wire and wire， wire and sheet metal. In the study of ultrasonic metal welding between copper rod and wire， we have made an in-depth analysis. In this study， different vibration energy was used to study the combination reliability of copper rod with 2.5-square wire rod and 3-square wire rod. The results show that the feasibility of ultrasonic metal welding for the connection between copper rod and metal copper wire is high.

Keywords： ultrasonic metal welding; large diameter inductor; copper wire

序言

超聲波金屬焊接有著獨特的焊接特點，可焊接不同材質和厚度的金屬箔，片和板材，焊接可靠，節能，沒有污染，目前已經被廣泛用在工業各個領域。但是超聲波金屬焊接一個主要缺點是焊接需用功率隨工件厚度及硬度的提高呈指數劇增，因而只限于絲，箔，片等薄件，絕大多數情況下只適用于搭接接頭。

本文在大直徑圓形電感件和電源線的連接上，進行了超聲波焊接的實踐探討。進行了可靠性測試， 為超聲波金屬焊接分析提供了試驗依據。

1 超聲波金屬焊接原理及特點

超聲波金屬焊接原理是利用超聲波頻率（超過16kHz）的機械振動能量，連接兩種或一種金屬的一種特殊方法。在對金屬進行超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力的作用之下，將彈性振動能力轉變為工件界面間的摩擦功，形變能及有限的溫升，使得焊接區域的金屬原子間瞬間激活，兩相界面處的分子相互滲透，最終實現金屬焊接件的固態連接。其焊接原理示意圖如圖1所示。

超聲波金屬焊接是利用每秒鐘數萬次的高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬工件表面，再施以一定的壓力，使金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，達到焊接的目的。

2 研究產品的簡單介紹

傳統的隱藏式天線濾波器中電感與電源線的連接方式是端子壓接工藝。如圖2所示。

金屬電感的材料是紫銅（Cu），電源線內芯導體的材料也是紫銅（Cu），兩者材料相同。如圖3所示，我們考慮采用超聲波金屬焊接的工藝，把電感和電源線進行連接，這樣節省了中間壓接端子，為產品提高了成本方面的競爭力。

3 焊接能量的分析研究

3.1 實驗方案

為了更好的焊接大直徑電感和銅線，我們采用不同的能量進行焊接產品。

（1）2.5平方的耐高溫電源線采取的能量分別為100J，150J，200J，250J

（2）2.5平方的非耐高溫電源線采取的能量分別為100J，150J，200J，250J

（3）3平方的耐高溫電源線采取的能量分別為150J，200J，300J

（4）3平方的非耐高溫電源線采取的能量分別為130J，180J，250J

3.2 焊接設備

我們實驗采用焊接設備為必能信的超聲波焊接機，如圖4和圖5所示。

如圖6所示，大直徑電感和電源線在焊接設備上的位置。

3.3 焊接步驟

如圖7所示，焊接設備上的工裝部分是由左固定，上固定，底座及超生波發生器四部分組成。

它們之間的工作步驟如下所示：

步驟1：把待焊接的樣件放在裝有超聲波焊接發生器的底座上表面，左固定和上固定分別向右邊和左邊進行水平移動，將待焊接的樣件在水平方向上固定夾緊。

步驟2：上固定向下運動，將待焊接的樣件在垂直方向上固定。超聲波發生器進行水平高頻振動，對樣件進行超聲波金屬焊接。

步驟3：超聲波金屬焊接完畢，上固定先向左再向上移動，左固定向左邊水平移動，焊接的樣件從設備中取出。

步驟4：超聲波金屬焊接的樣件完成（圖8）。

3.4 焊接實驗的結果

3.4.1 2.5平方的耐高溫電源線

我們從切片圖中顯示中發現：

100J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現很多間隙空洞現象，電源線芯線出現未變形現象，判斷為焊接不良。

150J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現很多間隙空洞，判斷為焊接不良。

200J的振動能量：電源線芯線與電感間出現很多間隙空洞，判斷為焊接不良。

250J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間結合緊密，判斷為焊接良好（圖9）。

3.4.2 2.5平方的非耐高溫電源線

我們從切片圖中顯示中發現：

100J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現間隙空洞現象，判斷為焊接不良。

150J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現很多間隙空洞，判斷為焊接不良。

200J的振動能量：電源線芯線與電感間出現小間隙空洞，電源線芯線全部變形，判斷為焊接可以接受。

250J的振動能量：電源線芯線與電感間出現小間隙空洞，電源線芯線有跳線現象，判斷為焊接可以接受（圖10）。

3.4.3 3平方的耐高溫電源線

我們從切片圖中顯示中發現：

150J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現少量間隙空洞，電源線芯線有跳線現象，判斷為焊接可以接受。

200J的振動能量：電源線芯線與電感間出現小間隙空洞，電源線芯線全部變形，判斷為焊接可以接受。

300J的振動能量：電源線芯線與電感間未出現間隙空洞，電源線芯線未有跳線現象，判斷為焊接良好（圖11）。

3.4.4 3平方的非耐高溫電源線

我們從切片圖中顯示中發現：

130J的振動能量：電源線芯線之間及電源線芯線與電感間出現少量間隙空洞，電源線芯線有跳線現象，判斷為焊接可以接受。

180J的振動能量：電源線芯線與電感間出現小間隙空洞，電源線芯線全部變形，判斷為焊接可以接受。

250J的振動能量：電源線芯線與電感間未出現間隙空洞，電源線芯線未有跳線現象，判斷為焊接良好（圖12）。

4 結論

大直徑電感與銅導線超聲波金屬焊接的方案在實踐上是可行的。

（1）銅線與圓形大直徑電感引腳的結合處有空隙和松動的現象是不可避免的。

（2）總的來說，振動能量越高，銅線與圓形大直徑電感引腳的焊接質量越好。

（3）振幅能量和壓力去補償銅線和圓形大直徑引腳的間隙會產生過壓的現象。

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