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超声波焊接在线束中的应用

来源：•作者：线束世界-Jimmy•2021-03-26 12:33

一、超声波焊接在汽车行业的发展

1955年美国航空部在登月项目中由美国Sonobond公司前身AerospaceProject发明超声波金属焊接技术。

80年代后，超声波金属焊接技术就广泛应用于线束焊接（重点是汽车行业的低压及通讯线束）。小于30mm2的铜线与铜线焊接。

2016年以后，由于电动汽车行业的变革，高压线在汽车里应用已成为非常重要的领域。国际上先进技术开始用超声波焊接全面替代压接，成为更稳定，更安全的连接方式

二、超声波焊接与压接技术对比

对比项	超声波焊接	压接
原理	金属分子晶格结构重组	塑性变形
初态电阻（以70mm2线＋连接器为例）	1-3 μΩ，刺穿表面氧化膜	10-20 μΩ，塑性变形，铜线丝是独立的，铜丝表面氧化膜存在，膜电阻一直存在
长期热（拉力/电阻）稳定性	稳定的一体化的结构。 10000次热循环后，没有出现明显变化	塑性变形在整个生命周期内一直存在。（铜线线丝变细变长变松=>电阻变大，发热加剧一次热循环=> 一次热胀冷缩=> 一次压接） 2000-3000次热循环后电阻就会出现拐点，是压接极限
容差能力及量产要求－材料影响－尺寸影响	容差能力大－材料特性微小变化对焊接无影响－端子尺寸公差要求不高，线丝线径容差能力大	容差能力小－材料特性影响材料的延展性，延展性微小差异严重影响压接一致性－压接套尺寸要求高，铜丝线径尺寸公差影响压接质量大
长期外力震动作用下的稳定性（Exp. Slow Motion测试）	拉力/电阻稳定	拉力/电阻不稳定－拉力会持续下降，电阻持续上升－在长期受到外力和震动下，压接点铜线线丝变细变长变松
拉力（以70mm2线＋连接器为例）	大，且长期稳定 USCAR 38 ，2700N	小，且持续下降 UL486A，1235N Exp. 有压接拉力不够，加锡焊以增加拉力的案例
工艺适用线材范围	0.75-25mm2 ，16mm2-80mm2 ，70mm2-160mm2	0.25mm2-35mm2 ，50mm2 以上不适合压接
工艺适用范围	不同材质：铝＋铜，不同形式：板材＋板材，线材＋线材以上均适用于超声波焊接	只能压接同种材质；线材与线材的压接必须通过压接套；板材与板材不可压接适用范围窄／成本增加

三、超声波焊接原理

1, 超声波发生器（配件1）将电能通过内部整流、变压、专用功率管放大成20KHz的高压电源，再设计低阻值导线，输出给压电陶瓷式换能器(配件2).

2, 压电换能器中的压电陶瓷在高压电源的电极下，产生径面振动，振动通过上下金属盖板传导到换能器工作面，根据工作需要换能器盖板可做成放大形状，将陶瓷的振动振幅做初步放大。（如有需要可再连接变幅杆做振幅二次放大）。

3, 换能器的振动传递到专用耦合器（配件3）上，拉动耦合器的运动杆（配件3）做横向振动。

4, 焊头安装在横向振动端，超声作用时，在振动杆的垂直方向，向下施加压力给耦合器、压力方向与超声振动方向相互垂直，达到摩擦焊接的作用。

四、超声波检验标准

拉力和撕拉力的首检、例检和末检

首检：采用一根短样进行拉力或撕拉力首检。

若首检拉力或撕拉力值在表的绿色区域，开始生产；

若首检拉力或撕拉力值在表的黄色区域，重新采用一根短样进行拉力或撕拉力测试，若重测短样数值落在绿色区域，可以开始生产；若重测短样数值落在黄色区域，调整参数之后重新首检；若重测短样数值落在红色区域，停产检查，之后重新首检。欧洲项目撕拉力值必须在绿色区域才可以生产；

若首检拉力或撕拉力值落在表的红色区域，停产检查，之后重新首检。

例检和末检

拉力测试：如该批次生产数量≤200pcs，不做例检和末检；如200pcs﹤该批次生产数量≤400pcs，需做末检，不做例检；如该批次生产数量>400pcs，需做例检和末检，且例检频率为每400pcs检查一个短样；

撕拉力测试：例检频率为每400pcs检查一个短样，如该批次≤400pcs，需做末检，不做例检；

例检和末检时，拉力和撕拉力值要在黄色或绿色区域，若发现在红色区域，在此段时间内生产的产品以红牌控制，产品按评审意见处理；

超声波焊接控制要求

操作工完成首件后，若首件检验合格，则将首件做好标识，标识上应写明日期、时间、看板号、操作工工号、机器号，质量人员对无自检资格员工的首件进行确认。

如果确认时发现问题则用红牌标识，并隔离产品，按《不合格品的控制》文件处理

操作工在合格的成品看板标签上必须写明日期、数量、看板号、操作者工号

需注意：超声波焊接两端的线芯头部均要与焊接工具头平齐，且尽量保证大线径在下，方可开始焊接

合格标准

1，无松散开的芯线

2，呈矩形形状

3，熔焊长度等于或大于5.0mm(参考值)

4，熔焊边缘到导线绝缘层之间距离为2.0-5.0mm（参考值）

5，无过烧/熔化的绝缘层

6，无焊瘤

7，芯线没有重复叠在导线绝缘层上

8，导线没有弯曲，导线自熔核处呈直线引出

标准范围内允许的偏差

1. 小量焊瘤，其不会刺穿防护的覆盖层

2. 过烧/熔化的导线绝缘不严重（能被绝缘覆盖胶带，模压塑模等盖住）

3. 对于16芯线或更多芯导线，每根导线缺失线数不超过10%（近似至最近整数）

不合格标准

1，超量过烧/熔化的绝缘层

2，线芯末端伸展至复叠在导线绝缘层上

3，超量焊瘤，会刺穿防护覆盖物

4，一股或多股松散开的芯线

5，熔焊过程造成的一股或多股断头线芯

6，导线弯曲，导线自溶合处不是呈直线引出（仅用于压接完成的瞬间）

7，对于16芯或者更多芯导线，缺失芯线数超过10%

8，一股或多股会刺穿压接透覆盖层的绽裂开的芯线（将绽裂开的芯线复回原位后是可接收的）

五、超声波工艺有效严重（参考USCAR 38)

1, 量产的工艺控制-CPK测试（拉力）

Cpk：ComplexProcess Capability Index 的缩写，是现代企业用于表示支撑制程能力的指标。制程能力强才可能稳定地生产出质量、可靠性高的产品。

Uscar38要求衡量过程能力，判断过程是否可行。Cpk可以保证过程受控，1.67的Cpk值可以预测99.9999% 的制程良率。

Cpk值计算公式：Cpk=（样品平均值-要求最低拉力值）/样品标准偏差，cpk必须大于1.67

影响cpk高低的因素由样品平均值及样品标准偏差的大小决定，因此要想保证CPK达标，拉力的平均值要达到要求最低拉力值的2~3倍。

2, 剖面测试

剖面分析可以提供直接证据证明超声波焊接是否统一和牢固，以保证连接功能，将剖面分析和现有好的剖面进行对比评估。它也可以作为辅助诊断工具来判定焊接为什么没有通过该测试。若焊接不充分或焊接过度，都可能导致达不到本标准中的电气和机械要求，这些可以通过10X 及以上放大镜观察识别出来

3, 量产的工艺控制-电压降/电阻测试

4, 量产的工艺控制-加速环境测试测试

• 温度设置－40℃／150℃

• 各30min，72个循环

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