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摘要：本文通過對比超聲波焊接與傳統(tǒng)壓接技術(shù)的原理、工藝參數(shù)、接頭性能及經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)性分析超聲波焊接在效率、能耗、材料適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢，并結(jié)合汽車、電子等行業(yè)案例驗(yàn)證其技術(shù)先進(jìn)性，為制造業(yè)連接工藝選擇提供理論依據(jù)。

 

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)壓接、超聲波焊接、接觸工藝、大電流、新能源汽車

 

01引     言

1.1 研究背景

1.1.1 制造業(yè)對高效、環(huán)保連接技術(shù)的需求增長 

隨著全球制造業(yè)尤其是中國制造業(yè)的快速發(fā)展，制造型企業(yè)對生產(chǎn)效率、產(chǎn) 品質(zhì)量和成本控制的把關(guān)越來越嚴(yán)格，環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和公眾環(huán)保意識(shí)的提 高，迫使制造業(yè)尋求更加環(huán)保的連接技術(shù)，傳統(tǒng)的連接方式如激光焊接或者傳統(tǒng) 壓接存在著產(chǎn)生刺激性氣味以及高功耗、效率不高等問題，所以制造行業(yè)對高效、 環(huán)保的連接技術(shù)需求正在變得越來越高。 

1.1.2 傳統(tǒng)壓接技術(shù)在高分子材料、薄壁構(gòu)件中的局限性 

傳統(tǒng)壓接技術(shù)通過機(jī)械壓力使連接件之間產(chǎn)生塑性變形形成機(jī)械互鎖，需要 使產(chǎn)品發(fā)生機(jī)械形變，常作用于導(dǎo)電金屬的連接，如線纜和端子的連接，端子和 端子的鉚接等，但因?yàn)閴航訒r(shí)需要承受較大的壓力，并且需要壓接產(chǎn)品具有一定 的形變，所以對高分子材料如塑料、復(fù)合材料等難以通過塑性變形實(shí)現(xiàn)連接。目 前越來越多主機(jī)廠推行輕量化鋁線連接方案，但鋁導(dǎo)線在壓接過程中鋁材脆性較 高，易產(chǎn)生微裂紋，并且長期可靠性不足，如特斯拉的部分低壓線束，還需要定 期進(jìn)行維護(hù)。 在薄壁構(gòu)件連接時(shí)，壓接容易造成薄壁結(jié)構(gòu)的變形、破裂、或者 穿孔等風(fēng)險(xiǎn)。另外，在機(jī)械擠壓時(shí)還是存在縫隙，不能滿足產(chǎn)品的氣密性能. 

1.2 研究意義：超聲波焊接為綠色制造提供新解決方案 

超聲波焊接技術(shù)利用高頻振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)材料的連接，具有能耗低、連接強(qiáng)度 高、材料適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢，且超聲波焊接技術(shù)在焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生刺激性 氣體，對環(huán)境和操作人員的健康影響較小。本文主要闡述超聲波焊接和壓接的工 藝特點(diǎn)，讓制造型企業(yè)在連接方式上提供科學(xué)，精確的依據(jù)，為制造業(yè)提供綠色 制造的新方案。 

 

02 技術(shù)原理對比

2.1 超聲波焊接原理 

超聲波焊接原理是通過發(fā)生器將普通50/60Hz的電頻轉(zhuǎn)變成15KHz或40KHz 的高頻電能，供應(yīng)給換能器，換能器通過壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成高頻機(jī) 械振動(dòng)能，變幅桿將高頻機(jī)械能放大并傳至超聲波焊接機(jī)的焊頭。振動(dòng)通過焊頭 傳遞到需要焊接的兩個(gè)金屬表面，兩個(gè)金屬表面相互摩擦形成熱能使金屬熔化， 在短暫的壓力下可以使熔化物在粘合面固化時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)分子鍵，最終形成金屬分子 層之間的熔合，整個(gè)周期通常是不到一秒種便完成，隨著振動(dòng)停止、溫度降低， 熔融材料冷卻固化，形成牢固的冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接目的 。 

典型設(shè)備：

發(fā)生器：將市電（50/60Hz）轉(zhuǎn)換為高頻電信號（通常為15kHz-40kHz）， 為換能器提供能量 

換能器：利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。 

焊頭： 將調(diào)幅后的振動(dòng)傳遞到工件表面，直接接觸并施加壓力。 

2.2 傳統(tǒng)壓接原理 傳統(tǒng)壓接主要依靠機(jī)械壓力使金屬發(fā)生塑性變形從而形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)來 實(shí)現(xiàn)連接。像冷壓接和鉚接，通過專門的壓接工具（如壓接鉗，壓接機(jī)，壓接 模具）對導(dǎo)電端子施加壓力，金屬材料在壓力的作用下發(fā)生塑性流動(dòng)與被連接材 質(zhì)相互填充擠壓，形成機(jī)械咬合，實(shí)現(xiàn)與被連接材料形成緊密的接觸，從而達(dá)到 電氣連接和機(jī)械連接的目的。上述過程主要依賴導(dǎo)電端子的形變，所以不適用于 高分子材料 

2.3 對比結(jié)論

通過對兩種壓接方式的分析，超聲波焊接通過高頻振動(dòng)使金屬熔化，形成金 屬分子層之間的熔合，具有能量集中，焊接速度快，材料適應(yīng)性強(qiáng)，可確保新能 源汽車電纜導(dǎo)體和端子形成一個(gè)整體，接觸電阻低，抗疲勞性能更優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)； 而傳統(tǒng)壓接主要依靠機(jī)械壓力使金屬發(fā)生塑性變形從而形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)來實(shí) 現(xiàn)連接，具有工藝簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但在高分子材料和薄壁構(gòu)件的連接中 存在一定的局限性。

 

03工藝優(yōu)勢分析

3.1 能量效率

超聲波焊接在能量效率利用方面具有顯著優(yōu)勢。由于超聲波焊接利用高頻振 動(dòng)直接作用于焊接區(qū)域，引發(fā)分子之間摩擦生熱，因此能耗轉(zhuǎn)換率更高，減少了 能量的損失，且整個(gè)焊接可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成（0.5-2秒/焊點(diǎn)），減少了總 能耗，相比之下，傳統(tǒng)壓接需要持續(xù)大電流或液壓驅(qū)動(dòng)，能耗較高（典型能耗2-5kW）。

3.2 材料適應(yīng)性

3.2.1 熱塑性塑料

超聲波焊接還擁有良好的材料適應(yīng)性。因?yàn)槌暡ê附拥脑硎抢酶哳l振 動(dòng)能量能夠作用于材料分子，使材料局部熔融并形成冶金結(jié)合，除了金屬材料外， 超聲波焊接能夠連接多種高分子材料，包括多種熱塑性塑料，主要用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品 的密封連接，其密封性能可以達(dá)到IP67等級。

3.2.2 異種金屬

超聲波焊接除了適配同種金屬焊接外，在特定的異種金屬焊接也表現(xiàn)出良好 的連接性能，在新能源汽車電池以及新能源汽車輕量化中提供了新的技術(shù)思路， 其原理為通過高頻振動(dòng)破除鋁表面氧化膜（Al?O?，厚度2-5μm），使銅鋁原 子直接接觸，形成CuAl?金屬間化合物層（厚度≤1μm），接頭導(dǎo)電率達(dá)母材85%， 抗拉強(qiáng)度≥80MPa。，避免了傳統(tǒng)壓接所需要的鎳過渡層。

3.2.3 壓接局限：

相比之下，傳統(tǒng)壓接主要適用于機(jī)械連接，難以克服高分子材料和異種金屬 之間的物理和化學(xué)特性，所以只適用于導(dǎo)電金屬之間的連接[3]。

3.3 接頭性能

3.3.1 抗拉強(qiáng)度：

超聲波焊接接頭達(dá)母材強(qiáng)度90%，傳統(tǒng)壓接僅70%-85% 抗疲勞性能：在10Hz 振動(dòng)測試中，超聲波焊接接頭疲勞壽命達(dá)10? 次循 環(huán)無斷裂，傳統(tǒng)壓接接頭在5×10? 次循環(huán)后出現(xiàn)裂紋。

3.3.2 導(dǎo)電性

超聲波焊接通過高頻振動(dòng)并在一定壓力下使兩個(gè)被焊接材質(zhì)摩擦生熱，使焊 接材質(zhì)表面達(dá)到非熔融狀態(tài)的塑性狀態(tài)，在此過程中，可以有效的清除焊接表面 異物和氧化膜（如銅的Cu?O、鋁的Al?O?），使被焊接材質(zhì)中的結(jié)晶金屬原子直接接觸，原子間通過擴(kuò)散形成金屬鍵，兩個(gè)接頭界面幾乎無間隙，無額外界面電阻。

壓接是通過機(jī)械壓力使金屬塑性變形，壓接材質(zhì)之間雖然進(jìn)行了機(jī)械咬合， 但是其本身還可能存在氧化膜層或者微小的間隙，氧化層會(huì)增加材質(zhì)本身的接觸 電阻，間隙則會(huì)造成電流在傳輸過程中需要多點(diǎn)跳躍傳導(dǎo)，使接觸電阻不穩(wěn)定， 而且隨著壓接材質(zhì)的微動(dòng)腐蝕和材料蠕變，氧化等，存在長期不可靠性。

注：測試條件：250A電流 通電1.5h，斷電0.5h，共100輪 測試樣件：70mm2Cu壓接、70mm2Cu焊接 測試結(jié)果：初始壓接電阻約為焊接電阻的2倍，且整個(gè)測試過程中，壓接電阻隨著測試時(shí)間 的增加，壓接電阻不斷增大，超聲波電阻表現(xiàn)非常穩(wěn)定，測試前后焊接電阻沒有明顯變化。

3.3.3 對熱塑性材料的焊接

超聲波焊接通過摩擦生熱，使熱塑性材料局部熔融結(jié)合，塑料如ABS、PC、 尼龍可以完全結(jié)合，部分金屬材質(zhì)也可形成冶金如鋰電池極耳焊接，可達(dá)到IP67 的防水等級，而壓接時(shí)通過壓合或者鉚壓，使材料變性進(jìn)行物理咬合，但通常存 在間隙，無法保證產(chǎn)品的氣密性，通常需要采用其他輔助如密封圈，熱縮套管， 打膠等。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)備從經(jīng)濟(jì)性角度來看，超聲波焊接與傳統(tǒng)壓接在設(shè)備成本和綜合成本方面 存在結(jié)構(gòu)性差異。雖然超聲波焊接設(shè)備的初始投資較高，約高出傳統(tǒng)壓接設(shè)備20%-30%，但從長期運(yùn)行和維護(hù)成本來看，超聲波焊接更具優(yōu)勢。 

首先，超聲波焊接設(shè)備的維護(hù)成本較低。超聲波焊接主要依靠高頻振動(dòng)使使 焊接材料相互作用，只用提供一定的壓力使兩個(gè)材料能夠粘連即可，避免了應(yīng)力 集中，焊頭壽命高達(dá)10萬次，但是傳統(tǒng)壓接依靠機(jī)械壓力相互作用，在大壓力 （50-100KN）的作用下，磨具刃口易磨損，為保證壓接質(zhì)量，每壓接1萬次就 需要對壓接刀模進(jìn)行更換。

其次，超聲波焊接在生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢也有助于降低生產(chǎn)成本。由于超聲 波焊接速度快、能耗低，自動(dòng)化程度更高，可以顯著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

 在生產(chǎn)質(zhì)量可靠性方面，超聲波焊接也具有顯著優(yōu)勢，超聲波焊接在參數(shù)調(diào) 整完畢以后受產(chǎn)品狀態(tài)形象小，產(chǎn)品良品率更高，接觸電阻低，焊接后氧化風(fēng)險(xiǎn) 低，壓接更加依賴壓接刀模的精度和員工的操作規(guī)范，壓接不良的風(fēng)險(xiǎn)更高，且 超聲波焊接的產(chǎn)品在振動(dòng)、熱循環(huán)、老化以后的性能表現(xiàn)更加優(yōu)秀。

 

04 行業(yè)應(yīng)用案例

4.1 新能源汽車線束連接

在新能源汽車行業(yè)日益增長的大電流大電壓需求下，超聲波焊接憑借其優(yōu)秀 的接觸電阻，穩(wěn)定的老化性能，在新能源汽車線束中得到了廣泛的應(yīng)用，如充電 座，充電槍，高壓連接器等，除了銅線和銅端子的焊接外，為了適配整車輕量化 的需求，現(xiàn)在鋁線和銅端子異種金屬的焊接需求也越來越多，目前，超聲波焊接 已廣泛應(yīng)用于95/120/150銅線與銅端子以及95/120/150/200/250鋁線與銅端子的 連接，通過優(yōu)化連接方式為超聲波焊接，載流已經(jīng)從250A到500A甚至600A的提升，真正的實(shí)現(xiàn)了充電5分鐘，行駛400公里的跨越。因此，電動(dòng)汽車高壓 線束超聲波焊接工藝的開發(fā)就有著重要的意義。

4.2 電子鎖產(chǎn)品工程塑料焊接

除了在金屬方面的應(yīng)用，超聲波焊接還應(yīng)用在塑料連接中，例如精密元器件 電機(jī)鎖，外殼使用工程尼龍塑料，在應(yīng)用超聲波焊接之前，電機(jī)鎖采用的都是密 封墊或者打膠方案，產(chǎn)品裝配復(fù)雜，成本較高，后面引入了超聲波焊接工藝，在 焊接過程中，超聲波焊接能夠精確控制焊接能量和時(shí)間，確保焊接部位的塑料充 分熔融，形成牢固的連接。同時(shí)，由于焊接時(shí)間短，不會(huì)對電子鎖內(nèi)部的電子元 件造成熱影響，保證了產(chǎn)品的性能與外觀，使產(chǎn)品組裝更加方便，外觀也更加精致。

 

05 局限性討論

超聲波焊接雖然在很多場景的應(yīng)用都十分出色，但是也有局限性，超聲波焊 接的原理限制其依賴材料局部熔融來實(shí)現(xiàn)分子層的擴(kuò)散，在金屬方面，高硬度材 料高熔點(diǎn)金屬（如剛＞600℃）焊接比較困難，無法在焊接面形成熔融狀態(tài)行程 有效的結(jié)合，在塑料方面，也會(huì)有熱固性塑料，也因無法形成熔融的狀態(tài)而只是 形成機(jī)械鑲嵌，有些塑料雖然能形成熔融狀態(tài)，但是因?yàn)槿廴跔顟B(tài)的差異，無法 形成有效的融合，對與某些脆性材料（如陶瓷）在焊接過程中會(huì)有開裂風(fēng)險(xiǎn)。 

超聲波焊接還受到焊接材質(zhì)厚度的影響，一般金屬件厚度要小于等于5mm， 塑料件厚度要小于等于10mm，超過此范圍時(shí)，超聲波焊接的能量就會(huì)衰減，每 增加1mm，能量損失15％-20%，導(dǎo)致焊接材料表面能量不足，導(dǎo)致焊接不充分， 影響載流能力。且超聲波焊接對焊接平面平面度要求較高，在平面有高度差時(shí)， 能量傳遞不均可能也會(huì)導(dǎo)致虛焊或者局部過熱。影響到焊接性能，且受到焊頭形 狀的限制不能對三維或其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接。

 

06 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

超聲波焊接通過其獨(dú)特的高頻振動(dòng)摩擦生熱實(shí)現(xiàn)局部熔融分子冶金結(jié)合原 理和顯著的高效、環(huán)保、精準(zhǔn)，高良品率、低應(yīng)力、高密封性，易自動(dòng)化的工藝 優(yōu)勢，正成為推動(dòng)現(xiàn)代高端制造升級的核心連接技術(shù)，完美契合輕量化、微型化 制造需求。其在輕質(zhì)材料連接、精密元件加工、自動(dòng)化生產(chǎn)等方面的表現(xiàn)，不僅 解決了傳統(tǒng)壓接的精度不足、材料局限等問題，更推動(dòng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)從“妥協(xié)于連 接工藝” 向“釋放材料潛力” 的轉(zhuǎn)變。隨著新能源汽車、消費(fèi)電子、航空航天等 領(lǐng)域?qū)?ldquo;輕量+ 精密” 的需求持續(xù)升級，超聲波焊接有望從“優(yōu)勢技術(shù)” 發(fā)展 為“標(biāo)配技術(shù)”，成為支撐高端制造的核心連接方案。 

6.2 未來趨勢

智能超聲焊接（AI參數(shù)自適應(yīng)） 智能化升級：融合AI 算法的智能超聲波焊接機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接壓力、振 幅、溫度等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)（如針對不同批次材料的參數(shù)自學(xué)習(xí)），預(yù) 計(jì)2025 年智能設(shè)備滲透率達(dá)60%。 

材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：開發(fā)適用于高溫、高壓環(huán)境的超聲焊接工藝，突破鋼、鈦 合金等難焊材料限制；研究三維曲面焊接技術(shù)，滿足航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件連接需 求。

綠色制造深化：結(jié)合能量回收技術(shù)（如將振動(dòng)余能轉(zhuǎn)化為電能），進(jìn)一步降 低能耗；探索無涂層焊頭技術(shù)，避免焊接過程中的二次污染。