管材超声波检测技术论文

摘要]本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。 [关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量 一、超声波传感器概述 1.超声波 声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。 2.超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。二、超声波传感器的应用 1.超声波距离传感器技术的应用 超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。 2.超声波传感器在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。 3.超声波传感器在测量液位的应用 超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。 4.超声波传感器在测距系统中的应用 超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 三、小结 文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。 参考文献: [1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社. [2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04). [3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社. [4]王松,郑正奇,邹晨祎.超声定位车辆路径监测系统的设计.2006,(10). [5]俞志根,李天真,童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社. 转贴于 中国论文下载中心

超声波焊接是利用超声波频率(超过20000赫兹)的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等材料的特殊焊接方法。这是我为大家整理的超声波焊接技术论文，仅供参考!

超声波焊接的研究与展望

摘要：超声波焊接的节能、环保、操作方便等突出优点，越来越受到人们的重视。超声波焊接已广泛应用在众多领域。本文简单介绍了超声波焊接的基本原理。概述了超声波焊接的国内发展现状，并对超声波焊接的发展做了展望。

关键词：超声波 焊接 研究现状

0 引言

1950年美国人发明了超声波焊接技术，该技术作为特种连接技术，在工业生产中得到广泛应用。另外，超声波焊接技术还广泛应用于电子工业、电器制造、新材料的装备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术等方面。超声波焊接的优点主要表现为：节能、环保、操作方便，这种技术对我国建设资源节约型、环境友好型的社会起着很大的促进作用。

1 超声波焊接原理及特点[1]

超声波焊接作为一种特殊焊接方法，通常情况下是指利用超声波频率(大于16KHZ)的机械振动能量，将同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等进行连接。通过超声波对金属进行焊接时，一方面不需要向工件输送电流，另一方面没有将高温热源引入工件，在焊接过程中，在静压力的作用下，将弹性震动能量转变为工件间的摩擦功、形变能，以及有限的温升等。在母材不发生熔化的情况下，实现接头间的冶金结合，因此，超声波焊接属于固态焊接。

工频电流在超声波发生器的作用下，进一步转变为超声波频率(15～16KHZ)d的振荡电流。通过磁致收缩效应，换能器将电磁能转换成弹性机械振动能。放大器的作用是对振幅进行放大，同时借助耦合杆和上声极与并工件进行耦合。如果换能器、放大器、耦合杆和上声极的自振频率相互一致，在这种情况下，系统将会产生谐振，从而将弹性振动能传递给静压力F的工件。两种薄材工件通过此种能量之间的转换被粘接在一起。

2 国内研究现状

2.1 超声波金属焊接的研究现状

崔岩[2]研究超声波焊在坦克铝件焊修中的应用，对铝及铝合金的焊接性进行了详尽的分析，认为保证焊点质量稳定的重要因素是谐振频率的精度。在超声波焊接过程中，由于机械负荷是多变的，失谐现象会随机出现，进而使得焊点质量不稳定。根据超声波焊的特点，制订相应的焊接规范。大量实验证明：通过超声波对铝及铝合金进行焊接，金属表面致密的氧化膜可以有效地去除，进而保证了焊接质量。

华南理工大学杨圣文等人[3]推导了铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接接头区域理论区域温度公式，并利用人工热电偶法测得焊接区域温度，分析了实测温度偏差产生的原因，结合焊接接头的扫描电镜(SEW)图片进行对比分析，研究了铜片-铜管超声波焊接接头的形成机理。结果表明：超声波焊接是基于接头区域微齿顶端处高温、纯净金属发生塑性变形后表面充分贴合两个因素基础上的金属键合和机械嵌合而形成接头的物理冶金过程。

南京航空航天大学机电学院的张秋峰[4]研究了1Cr18Ni9Ti与TC4异种金属的固态扩散焊接工艺，在现有的基础上采用超声波加载固态扩散焊的工艺。金相试验分析结果表明：采用超声波加载扩散焊接工艺，使不锈钢和钛形成了良好的连接。

哈尔滨工业大学的闫久春、孙小磊[5]等，在敞开环境下研究了一种适合复杂结构，并且能够进行可靠连接的“超声波振动辅助钎焊技术”原理，同时对铝基复合材料、铝合金、陶瓷/铝、玻璃/铝焊接的初步试验结果进行了描述。焊接结果表明：在钎焊过程中，通过施加适当的超声波振动，母材表面氧化膜可以有效地去除，进一步促进了母材与钎料的润湿。在低温、大气环境下，获得了具备微观组织结构和力学性能良好的连接接头。

南昌大学的朱政强等人[6]用电子背散射衍射(EBSD)方法来研究超声波焊接下铝合金AA6061的微观组织变化，从微观角度里加深对超声波金属焊接的理解。通过实验，得到原始铝箔和焊接后铝箔的品粒取向差分布图。通过分析品粒取向、晶粒结构和晶界特征了解超声波焊接对铝合金组织和结构的影响。

2.2 超声波非金属焊接的研究现状

郭毓峰[7]对12μm聚对笨二甲酸乙二醇酯(PET)/30μm聚乙烯(PE)薄膜超声波焊接工艺进行了研究，发现焊接振幅在2-10μm，对焊接接头热合强度的影响不大;在焊接振幅4-7μm出现了焊接接头的热合强度最大值。焊接接头的热合强度随着焊接时间的延长和焊接压力的增大表现出先增大后减小的变化规律。通过对不同工艺参数下焊接区域的结晶程度进行分析，其结果显示，接头的结晶程度影响着PET/PE薄膜焊接接头热合强度，焊接区域试样的结晶程度随着焊接时间、焊接振幅、焊接压力增加先减小后增大，焊接接头的热合强度先升高后降低。

赵钢[8]等人研究超声波焊接在汽车传感器封装中的应用。讲述了通过对材料、焊接方法的选择和焊口及工装设计与制造过程设计，来实现汽车传感器封装的方法。

赵仕彬[9]研究了超声波焊接在连接器中的应用。简明扼要地介绍了超声波焊接的原理，结合面的设计方法、设计要点，以及在连接器中的具体应用和使用范围。

西北工业大学的聂中明[10]研究了高电阻CdZnTe半导体(简称CZT)接触电极与引线的超声波焊接。认为：CZT晶片经机械抛光表面处理后，通过离子溅射法制备的金电极与外引线间具有较高的超声波焊合率，能获得最佳焊点质量的电极厚度为180nm。此外，确定CZT接触电极制备工艺后，楔入压力成为影响CZT接触电极与引线超声波焊接质量的主要因素，焊接功率则为次要因素。

3 总结

目前，对超声波金属的焊接机理认识不足，超声金属焊接作为一种固相焊接方法，或者说是金属间的“键合”过程，在焊接过程中，是否无金属熔化还有待进一步研究。还有在材料焊接中应用超声波，虽然焊接效果比较好，但是对于由超声波发生器、声学系统与机械系统相结合的整个系统来说，在稳定性、可操作性、可靠性等方面依然存在问题，所以声学系统的设计，以及声学系统与试件之间的连接方式等都非常重要。另外，从微观力学的角度研究超声波振动对晶粒和织构的影响也是未来研究的重要方向。

参考文献：

[1]李小明，李彦生，韩景芸.基于超声波焊接技术的快速成型方法研究[J].机床与液压，2007，35(3)：4-6.

[2]崔岩.超声波焊在坦克铝件维修中的应用[J].工业技术经济，2000，19(3)：114-116.

[3]杨圣文，吴泽群，陈平池.铜片-铜管太阳能集热板超声波焊接试验研究[J].焊接，2005(9)：32-35.

[4]张秋峰.钛与不锈钢的超声波扩散焊接[J].机械工程与自动化，2008(1)：125-127.

[5]闫久春，孙小磊.超声波振动辅助钎焊技术[J].焊接，2009(3)：6-12.

[6]朱政强，马国红，E.Ghassemieh.铝合金AA6061超声波焊接下组织演变分析[A].第七届中国机器人焊接学术与技术交流会议文集[C]，2008：107-110.

[7]郭毓峰.聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超声波焊接[J].宇航材料工艺，2010(4)：53-55.

[8]赵钢，曹智，董双辉.超声波焊接在汽车传感器封装中的应用[J].沈阳航空工业学院学报，2007(4)：25-28.

[9]赵仕彬.超声波焊接在连接器中的应用[J].机电元件，2006(4)：36-39.

[10]聂中明，傅莉，任洁，查钢强.CdZnTe接触电极与引线的超声波焊接[J].中国有色金属学报，2009，19(5)：919-923.

超声波焊接技术在工业产品设计中的应用探索

【摘 要】本文通过对超声波焊接技术原理的阐述及对超声波影响因素的探究，分析超声波焊接技术的优劣，结合笔者的设计实践，探索超声波焊接技术的发展，抛砖引玉，就基于超声波焊接技术未来的应用领域进行探索。

【关键词】超声波;焊接技术;工业产品

Ultra-sonic Welding Technology in the Application of Industrial Product Design’s Exploration

HE Jun-hua1 MA Wen-juan2 LV Shuang-shuang3 WENG Mao-hong1 GUAN Jun1 GONG Yun1

(1.School of Engineering， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China;

2.School of Agricultural and Food Science， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China;

3.School of Landscape Architecture and Architecture， Zhejiang A&F University， Lin’an Zhejiang， 311300， China)

【Abstract】The article through to the illustration of the principle of ultra-sonic welding and the affecting factors of ultra-sonic probe， analyseing the advantages and disadvantages of ultra-sonic welding technology， combined with the author’s design practice， explore the development of ultrasonic welding technology， topic and is based on the exploration on the application felid of ultra-sonic welding technology in the future.

【Key words】Ultra-sonic; Welding technology; Industrial product

在工业产品制作中，经常会用到一些工业材料，像塑料、金属、木材等一些其他工业材料。在日常生活中我们经常会看到某件产品不只用一种材料来制作;我们也经常看到一件产品由多个部分组成、并且各部分之间还会产生空隙，这不仅会影响产品的质量，还会影响产品的美观度。这就要求把它们彼此之间焊接起来。随着技术的发展，人们对焊接技术的要求越来越高，目前传统的焊接技术不但成本较高，而且焊接的质量不高，往往会产生细小的缝隙。因此人们希望运用新的焊接技术来提高产品的质量。

1943年，在总结前人理论和实践的基础上，美国的Behl发明了超声波焊，从此推动了超声波焊接技术的发展。由于超声波焊接技术具有节能、无须装配散烟散热装置、焊接时无须焊接附件、成本低、效率高、密封性好、易实现自动化生产等优点，超声波焊接技术发展的越来越快。

1 超声波焊接技术在工业产品中的应用现状

像在航空航天、核能工业、电子工业等这样一些精度要求很高的工业产品领域中，使用传统的焊接技术很难达到技术要求，而且成本高、效率低。目前，超声波焊接技术在各行各业都有广泛的应用，像医疗机械、包装、五金等行业;能焊接的产品也很多，像汽车零部件、光学镜头、U盘等。

2 超声波焊接技术的原理和特点

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，因此能量大。超声波焊接是利用超声波频率(超过20000赫兹)的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等材料的特殊焊接方法[1]。超声波作用于热塑性的塑胶表面时，会产生每秒上万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声波能量传到焊区，又由于焊区即两个焊接的交界面处声阻比较大，因此会产生局部高温。又由于塑料制品导热性差，一时还不能及时散发出聚集的能量，因此能量就会聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定的压力后，就会使其融合成为一体。当超声波停止作用后，让压力再持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，从而达到焊接的目的。在对金属进行超声波焊接时，既不向工件输送电流也不向工件施以高温热源，只是在静压力作用之下，将弹性振动能量转变为工件界面间的摩擦功、形变能及有限的温升，使得焊接区域的金属原子被瞬间激活，两相界面处的分子相互渗透，最终实现金属焊件的固态连接。其焊接原理示意图如图1所示[2]。

2.1 超声波焊接技术的优点

与传统焊接技术相比较，超声波焊接技术有如下优点：(1)焊接速度快、焊接精度高、焊接焊点强度高;(2)焊接范围广、稳定性好、被焊接后的工件变形很小;(3)焊接物表面清洁美观、平整光滑;(4)焊接时，不需添加焊接剂，对被加工物不产生污染、不产生有害气体，因此是一种环保的焊接方法;(5)焊接时，只需提供较小的动力即可进行焊接，耗能低;(6)操作简单、成本低、效率高、密封性好。

图1 超声波金属焊接原理示意图

2.2 超声波焊接技术的缺点

尽管超声波焊接技术有很多的优点，但也存在不足之处，因此不得不加以重视。超声波焊接技术有如下缺点：(1)对超声波焊接机理的认识还不够全面;(2)对金属进行焊接时，焊件不能太厚;(3)对超声波焊接技术的影响因素比较多，不易进行把握分析和总结;(4)制造一些大功率的超声波焊接机成本高、而且比较困难;(5)对焊接好后的工件进行焊接处质量检测比较困难，因此给大批量生产带来阻碍。 3 影响超声波焊接质量的因素

虽然超声波焊接技术有众多优点，但其焊接质量与熔融量、材料的材质等因素有关，概括起来主要包括以下几方面的因素，如图2所示。

图2 影响超声波焊接质量的因素

(1)焊接材料的材质：一般来说焊接质量与材料的物性和材料的改性有关。材料的物性包括材料的弹性模量、摩擦系数、热导率、熔点等。物件的焊接质量与材料的弹性模量、摩擦系数、热导率成正比，与其密度、熔点成反比。材料的改性指的是在适宜的工艺条件下加入一些填料以改善材料的原有性能，使其满足客户的使用要求。在适宜的工艺条件下加入一些性能相近的材料，可以提高焊接接头强度。

(2)焊头与焊件的接触面：焊接面的清洁度、材料表面的粗糙度会影响焊件的焊接质量。增加材料的表面粗糙度可以提高焊接质量;焊接面的清洁度越高，焊接质量也越高。

(3)其他因素：焊接技术的工艺参数、焊接件的结构、连接形式、焊接时的熔融量、超声波的功率等。为达到最佳的焊接效果，在产品研发阶段，要对这些因素进行综合考虑。

4 超声波焊接技术在工业产品设计中的应用案例

正如以上所述，基于超声波焊接技术的产品研发，先要进行综合考虑影响焊接质量的因素，然后结合产品的市场前景，产品的成本，生产技术要求等条件，合理生产设计要素。

下面仅就一个设计案例――美国苹果公司发明的超声波塑料与金属焊接专利技术进行解读，从实践的角度来理解超声波焊接技术在实际中的应用。原有技术的不足：在还没有发明这项专利技术之前，所有的便携式设备(如手机)不能将金属与塑料进行融合，因此某些部件不能用塑料部件来代替，这样生产出来的手机不仅厚重、外形呆板而且缺少个性，设计上也不够自由、缺少灵活性。并且制作成本高、操作复杂、使用不方便，按键操作过多时，会接触不灵。解决案例：采用全新的超声波塑料与金属焊接技术，在手机内部某些部件使用塑料材质，减轻了手机的重量的同时也减少了金属的使用量。在壳体方面采用一次成型工艺，使外壳更加简约、流畅，操作简单，设计灵活，给人一种高端、大气的感觉。先进的超声波焊接技术一般还要使用多种材料融合的技术工艺，设计更加的自由和灵活，设计线条采用极简主义的风格，色彩上运用浅色，给人轻松、愉悦的感觉。在结构上更符合超声波焊接工作原理，使焊接质量更佳。

5 针对超声波焊接技术应用的案例得出的结论和展望

通过这次调研，作者通过对超声波焊接技术的了解，对超声波焊接技术应用进行研究，由于条件有限，在调查研究过程中还有不足之处，在此将在调研过程中涉及到的问题及解决办法总结一下，为后面进一步研究做铺垫。针对焊接质量的问题，我们得出在焊接时应保持接触面清洁和材料表面的粗糙度。要了解用户需求，针对特定的用户进行设计，设计出多种不同的外观形态，为不同的客户量身打造;在设计时还应该考虑情趣化的问题，设计出更加有情趣化的产品，营造轻松愉悦的环境。针对超声波焊接技术在产品设计中的展望，作者经过探索发现可以在工作时增加音乐播放功能，使焊接过程轻松、愉快。未来的超声波焊接技术也将更加的人性化。

【参考文献】

[1]关长石，费玉石.超声波焊接原理与实践[J].机械设计与制造，2004(6).

[2]朱政强，吴宗辉，范静辉.超声波金属焊接的研究现状与展望[J].焊接技术，2010，39(12).