平板集热器超声波焊接工艺解析

平板太阳能热水器集热器（集热板）焊接主要有两种方式：1.激光焊, 2.超声波焊。超声波金属焊接是利用高频振动传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的渗合，其优点在于快速、节能、接合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。下面就详细分析一下采用超声波焊接所需注意的技术细节：

1. 材料选择及特性要求  
吸热片：目前国内所采用的吸热片有铝片和铜片两种，选择性吸收膜层工艺主要有：蓝钛膜﹑黑铬镀层﹑阳极氧化。片材厚度为0.12mm-0.5mm，对于超声波焊接而言，不同厚度及硬度的材料，所需的振幅，压力及纹路均有不同，这与超声波焊接的原理相关，同时还需考虑超声波振幅沿垂直于焊头方向的传递衰减。实际应用中，有几个基本方向：1.焊接铜材料需要的单位面积能量要比铝材高；2.焊纹的深度≥片材厚度；整体焊纹宽度∝材料厚度；振幅+压力∝材料厚度；3.振幅+压力∝材料硬度。激光焊，根据其原理，一般选择较厚的片材，而对于超声波焊，则不需要选择厚的材料，只需考虑传热效率。举个例子：0.12mm厚的蓝钛膜片，通常可以选择0.3mm纹深的焊头，焊缝宽度为2-2.6mm；当考虑焊头磨损寿命时，也可选择0.4mm纹深焊头，焊缝宽度为2.8mm。这里需注意的一个问题：阳极氧化片材在与铜管接触的部分，不能有氧化层。
铜管：目前国内所采用的铜管主要有Φ8﹑Φ10﹑Φ12三种规格，还有一些客户用到9.5等规格，但并不多见。壁厚范围：0.45-1.0mm，状态有：硬态﹑半硬态﹑软态。激光焊对于铜管状态没有要求，只对壁厚有要求；超声波焊则对铜管要求较高，主要是需要一定的机械强度。为什么超声波焊对铜管强度要求较高呢？原因在于其工作原理：相对往复加速度所产生的挤压扩散。我们通常加在所焊工件上的静压力为：200N左右，这个力并不大，但超声波焊接时会产生约50000g的往复加速度，这个微观作用力就很大，焊接时，材料被这个力直接成型，同时伴随着局部温升，当铜管强度不够时，将会产生屈服变形，使焊接静压力加不到焊件上。所以，我们建议铜管采用硬态铜管，Φ8铜管壁厚建议为：0.5-0.6mm,Φ10﹑Φ12铜管壁厚建议为：0.6-0.7mm。对于热管，由于其为半硬态或软态，建议铜管壁厚为：1.0mm。

2.超声波焊接参数选择
对于太阳能滚焊的应用，主要参数：振幅﹑压力﹑速度（相当于焊接时间）。超声波输出功率∝振幅*压力，所以，某种程度上来说，振幅和压力是负相关的。
振幅：通常我们焊铜片选择的振幅为：40-50µm ,焊铝片选择的振幅为：30-40µm ，同时，振幅∝材料厚度。基于铝材的机械强度比铜要差，所以焊铝的振幅要稍低，约20%。这样就要求机器必须有振幅连续可调功能。超声波机器对于振幅的表述有2种：A.振幅（以微米做单位），B.AMP(以百分比为单位）。很多国内所谓的超声波厂家，没有理解AMP的真正含义，直接转为功率称谓,这是错误的理解，实际代表的就是振幅。国内采用自激线路的焊机（特征是有个调频电感），不具备连续调整振幅的功能（最多也就是变压器抽头式调整，有2-3个档位），装一个百分比的旋钮在外面装样子。调整振幅，从电路的角度讲，就是调整换能器的驱动电压，通常可调范围为20%-100%，我们选择的是50%-100%。
压力：指的是通过气缸加在焊头上的静压力。这个压力通常为：200N左右。压力∝材料厚度；压力∝材料硬度。压力并不是越大越好，通常需根据焊点的面积﹑材料的厚度﹑材料硬度﹑选择的振幅来综合考虑，对于材料的焊接压缩量，以10-20%为宜。
速度：实际上就代表焊接时间。根据我们的经验，焊铜片的速度为：8-9m/min为宜；焊铝片的速度为：10-12m/min为宜。超声波的振动特性，决定了它既可以焊接，还能够破坏，所以适宜的速度是很重要的。我们也见到一些不好的机器，焊接速度很慢，这是因为这些机器的振幅是达不到要求的，所以用速度来补偿，这样应用是得不偿失的。

3.不良焊接现象分析
A. 整体焊不牢：这种情况的出现，主要是参数不对，超声波的输出能量达不到焊接的要求。另一种情况是所焊接材料存在不利于超声波焊接工艺的情况，如焊接位置同样存在阳极氧化膜层。
B. 一部分焊接不牢：首先，我们观察焊不牢的部位是否有规律性，如是否相隔固定长度有问题，或者每次都是一个地方焊不好。焊头周长是200mm，如果出现200mm的规律性，那就是焊头磨损问题。如果都是一个地方焊不好，最大可能性是那个部位的夹具夹不紧所造成。
C. 粘铝：随着铝翅片的越来越多的应用，很多会出现这样的问题。这个问题的根本原因在于铝材料的特性：软﹑与金属的结合性较好。我们的经验：焊铝要速度快。当出现铝粘到焊头的情况时，用焊头在铜管上多滚几道，利用铝与铜的结合特性比钢好的特点来去除粘铝。



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