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“不能焊”的也“能焊”。超声波创造新未来 ~超声波焊接~

颠覆常识的超声波。玻璃或陶瓷也能焊接

迄今为止的焊锡,基本是焊锡(锡)与母材金属的接合。
超声波是一项迎合焊锡与玻璃或陶瓷这种金属与非金属接合的崭新未来而倍受关注的技术。在全球性自然能源普及不断推进的形势下,由于在太阳光发电用的太阳能嵌板电极中的运用,数年前开始再次受到关注。
现就不久前再次受到关注的超声波焊接的原理予以说明。

同样是超声波焊接,因母材不同出现不同接合效果的原理。

最先利用超声波进行焊接的技术是1961年由英国公司研发,而记录至今仍然保存着。
一直以来,这一技术使被视为难以焊接的不仅是铝和不锈钢等、不可能焊接的玻璃、陶瓷铝氧化膜这些非金属的焊锡变得可能。
但即使是同样的超声波焊接,其接合原理也大不相同。

(本动画原载于YouTube,中国大陆一部分地区的用户有无法收看的可能)

由于铝和不锈钢本来有一层牢固的氧化薄膜,因此需要除去这层薄膜才可以进行焊接。
迄今为止的特殊焊接是用強酸助焊剂等除去氧化薄膜之后对铝等材料进行焊接。
然而,由于不久前以RoHS等为代表的环境限制措施,避免使用重污染的卤素物质成为一种趋势。
不过,由于玻璃和陶瓷本身就是氧化物,因此以往的焊接原理并不能通用。

超声波的结构:空穴效应"1/5万秒的能量

在被施加了超声波振动之后,液体在流动中会因压力差而产生气泡状的小空洞。
这种现象被称为空穴现象。空洞在大气压下会破裂,并在破裂的瞬间(1/5万秒)产生巨大能量。
超声波焊接就是利用空洞能量来除去氧化薄膜的。超声波可以无需助焊剂进行焊接就是利用了这一机理。

(本动画原载于YouTube,中国大陆一部分地区的用户有无法收看的可能)

空洞爆发产生的去除作用(对金属)

超声波焊接系统是通过用烙铁芯加热后的烙铁头发射约为60KHz的超声波来进行焊接。振子发出的超声波通过扩音装置传给烙铁头,在焊接母材和熔融焊锡的界面附近产生空洞现象和气泡。空洞爆发使氧化物表面发生质的变化,并将污垢和氧化膜除去,同时在焊锡母材的溶解・扩散作用下形成扩散层。

焊锡扩散层

铝板焊接(SEM:x6,000)

焊锡扩散层

焊锡-铝板(EDX)

以氧为媒介的接合作用(对非金属)

玻璃和陶瓷由于本身就以氧化物的形式存在,用以往的焊接装置难以完成接合。超声波的空洞效应产生的空洞在崩溃的瞬间吸收氧气的同时还会释放出热能。有人认为,有效利用这一能量,以在熔融状态下亲氧性很强的金属元素吸收的氧为载体,可在玻璃等表面形成共价键。(※1) 在超声波的振动下,溶融焊锡得到充分搅拌、焊接界面的焊锡更容易吸收氧气,继而可能形成更加牢固的共价键。而且,与普通焊锡相比,其几何性质、化学性质和接合強度都毫不逊色。

(参考资料:1976年, 旭硝子研究所,「可在玻璃和陶瓷上直接进行金属焊接的技术」)

玻璃焊锡

玻璃基板的焊接
(SEM:10,000倍)

【扩大了的超声波的活用区域】

可用于以太阳能嵌板的玻璃表面的电极焊接为主的多个方面。汽车的“大脑”MCU被装在一个全铝的机箱内以隔开外部噪音,在进行铝焊接时就是用的超声波。而且,最近为了减轻电机中的线圈或变压器的重量,越来越多地使用铝线而不是铜线来绕制。超声波在飞机仪器的焊接中也越来越多。
与激光和烙铁结构不同的超声波焊接。随着其用途的日益扩大,有望完成直到今天都无法完成的工作。

★超声波焊接的 特点

  • 1.利用空洞现象的焊接原理
  • 2.用空洞效应有望除去牢固的氧化膜
  • 3.通过与氧结合有望实现非金属的焊接
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