什么是超声波焊接？它是如何工作的？

发布日期：2025-12-04

一、技术概述
超声波焊接是一种固态连接工艺，核心原理是通过高频超声波振动（15-70kHz），在压力作用下对贴合的工件施加局部能量，实现材料连接。与传统焊接不同，该技术无需螺栓、钉子、粘合剂或焊接耗材，且金属焊接温度低于母材熔点，塑料焊接仅局部熔化，能最大程度保留材料原有性能。其适用范围广泛，可连接软硬热塑性塑料、热塑性复合材料，以及铝、黄铜、铜、贵金属等金属（含部分异种金属），甚至能实现碳纤维增强聚合物（CFRP）与轻金属的耐用粘合。11.jpg
二、发展历程
超声波焊接的技术突破源于偶然发现：1963 年，罗伯特・索洛夫（Robert Soloff）在观察中发现，超声波探头可使塑料胶带分配器的两半自动连接，进而与西摩・林斯利（Seymour Linsley）共同申请了硬质热塑性部件焊接专利，并研发出第一台超声波压机。早期技术仅适用于硬质塑料，率先应用于玩具行业；1969 年，首辆全塑料汽车通过该技术组装完成，虽全塑料汽车未普及，但超声波焊接因高效性被汽车行业持续采用，并逐步拓展至航空航天、医疗等多领域。
三、核心体系：设备组成与工作原理
（一）核心设备组件
所有超声波焊接系统均包含五大基础组件，且需同步共振以确保焊接效果：

  1. 压力机：采用电动或气动驱动，向工件施加稳定压力；

  1. 定位装置：通过铁砧、夹具或 “嵌套” 固定零件，引导振动能量集中于接口；

  1. 超声波执行单元：

  • 换能器：利用压电效应将电信号转换为机械振动；

  • 变幅杆：调节振动幅度，同时传递夹紧力；

  • 工具头：向工件施加振动，适配零件形状并优化振幅；

  1. 电源与控制器：提供与设备共振频率匹配的高功率电信号，同步控制压力机运动与能量传输；

  1. 定制化适配：可根据零件规格调整设备参数，满足不同场景需求。

（二）不同材料的焊接机制

  1. 塑料焊接：工件界面设计有尖刺或圆形接触点，超声波能量集中于这些触点，使其局部熔化形成接头。振动能量沿接头吸收，确保熔化范围精准，尤其适用于热塑性塑料；

  1. 金属焊接：无需熔化母材，通过超声波振动产生的局部运动与高压扩散，去除金属表面氧化物，实现原子级连接。过程中产生的摩擦热极低，不会改变金属性质；

  1. 特殊材料焊接：可用于 CFRP 与轻金属的粘合，但相关工艺参数对焊接质量的影响仍需进一步研究。

四、核心优势
相较于传统焊接技术，超声波焊接具备显著竞争力：

  • 低温节能：热影响区域小，可适配更多材料组合，且能耗更低，降低运行成本；

  • 高效快速：焊接过程仅需几分之一秒，无需等待干燥或固化，大幅提升生产效率；

  • 安全环保：无明火、易燃燃料或污染物，避免工人接触危险气体与溶剂，符合环保要求；

  • 精准可靠：可实现全自动化操作，接头洁净、可重复且精度高，修补需求极少，耐用性与传统焊接相当；

  • 适配性强：特别适合小型、复杂、精密组件（如电线、电路、金属箔），无需额外散热或排气装置。

五、行业应用场景
超声波焊接凭借 “快速、洁净、精密” 的特点，已渗透至多个核心行业，尤其适用于薄规格、小型化部件：

  1. 计算与电气行业：连接电线、微型电路、闪存驱动器、电池组件等精密部件；

  1. 航空航天与汽车行业：汽车领域用于组装仪表板、门板、发动机部件及铝制轻量化结构；航空航天领域适配轻质薄板材（如铝）与碳纤维复合材料连接；

  1. 医疗行业：因无污染物引入，用于制造动脉过滤器、面罩、病号服、透皮贴剂等医疗产品；

  1. 包装行业：适配危险品（烟花、爆炸物）、食品容器（牛奶盒）、丁烷打火机等产品的密封与组装。

六、常见问题解答（FAQ）

  1. 适用材料：软硬热塑性塑料、热塑性复合材料、铝、黄铜、铜、贵金属、镍合金及部分异种金属；

  1. 防水性：非自然具备防水 / 气密性能，需通过优化焊缝结构、壁厚、材料选型及超声波参数实现；

  1. 安全性：比传统焊接更安全，无高温、烟雾或过量电能风险；

  1. 热量产生：仅在工件接触处产生局部热量，可熔化塑料但不熔化金属母材；

  1. 频率范围：常用 15-70kHz，20kHz 为人类听觉上限，更高频率仅可感知为振动。

七、结论
超声波焊接以高频振动与压力为核心，通过差异化机制实现塑料、金属及特殊材料的高效连接。其低温、快速、安全、自动化的优势，使其成为小型精密组件连接的优选技术，广泛服务于电子、汽车、医疗、包装等关键行业。随着对工艺参数研究的深入，该技术在异种材料连接、高性能粘合等领域的应用潜力将进一步释放，为制造业轻量化、精密化发展提供有力支撑。


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