牛领策略超声波焊接与传统压接的技术对比研究_材料_高分子_机械

摘要：本文通过对比超声波焊接与传统压接技术的原理、工艺参数、接头性能及经济性牛领策略，系统性分析超声波焊接在效率、能耗、材料适应性等方面的优势，并结合汽车、电子等行业案例验证其技术先进性，为制造业连接工艺选择提供理论依据。关键词：传统压接、超声波焊接、接触工艺、大电流、新能源汽车

引言

1.1 研究背景

1.1.1 制造业对高效、环保连接技术的需求增长

随着全球制造业尤其是中国制造业的快速发展，制造型企业对生产效率、产品质量和成本控制的把关越来越严格，环保法规的日益严格和公众环保意识的提高，迫使制造业寻求更加环保的连接技术，传统的连接方式如激光焊接或者传统压接存在着产生刺激性气味以及高功耗、效率不高等问题，所以制造行业对高效、环保的连接技术需求正在变得越来越高。

1.1.2 传统压接技术在高分子材料、薄壁构件中的局限性

传统压接技术通过机械压力使连接件之间产生塑性变形形成机械互锁，需要使产品发生机械形变，常作用于导电金属的连接，如线缆和端子的连接，端子和端子的铆接等，但因为压接时需要承受较大的压力，并且需要压接产品具有一定的形变，所以对高分子材料如塑料、复合材料等难以通过塑性变形实现连接。目前越来越多主机厂推行轻量化铝线连接方案，但铝导线在压接过程中铝材脆性较高，易产生微裂纹，并且长期可靠性不足，如特斯拉的部分低压线束，还需要定期进行维护。在薄壁构件连接时，压接容易造成薄壁结构的变形、破裂、或者穿孔等风险。另外，在机械挤压时还是存在缝隙，不能满足产品的气密性能.

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1.2 研究意义：超声波焊接为绿色制造提供新解决方案

超声波焊接技术利用高频振动能量实现材料的连接，具有能耗低、连接强度高、材料适应性强等显著优势，且超声波焊接技术在焊接过程中不会产生刺激性气体，对环境和操作人员的健康影响较小。本文主要阐述超声波焊接和压接的工艺特点，让制造型企业在连接方式上提供科学，精确的依据，为制造业提供绿色制造的新方案。

技术原理对比

2.1 超声波焊接原理

超声波焊接原理是通过发生器将普通50/60Hz的电频转变成15KHz或 40KHz 的高频电能，供应给换能器，换能器通过压电效应将电能转换成高频机械振动能，变幅杆将高频机械能放大并传至超声波焊接机的焊头。振动通过焊头传递到需要焊接的两个金属表面，两个金属表面相互摩擦形成热能使金属熔化，在短暂的压力下可以使熔化物在粘合面固化时产生强分子键，最终形成金属分子层之间的熔合，整个周期通常是不到一秒种便完成，随着振动停止、温度降低，熔融材料冷却固化，形成牢固的冶金结合，实现焊接目的。

典型设备：

发生器：将市电（50/60Hz）转换为高频电信号（通常为15kHz-40kHz），为换能器提供能量

换能器：利用压电陶瓷的逆压电效应，将高频电能转换为机械振动。

焊头：将调幅后的振动传递到工件表面牛领策略，直接接触并施加压力。

2.2 传统压接原理传统压接主要依靠机械压力使金属发生塑性变形从而形成机械互锁结构来实现连接。像冷压接和铆接，通过专门的压接工具（如压接钳，压接机，压接模具）对导电端子施加压力，金属材料在压力的作用下发生塑性流动与被连接材质相互填充挤压，形成机械咬合，实现与被连接材料形成紧密的接触，从而达到电气连接和机械连接的目的。上述过程主要依赖导电端子的形变，所以不适用于高分子材料

2.3 对比结论

通过对两种压接方式的分析，超声波焊接通过高频振动使金属熔化，形成金属分子层之间的熔合，具有能量集中，焊接速度快，材料适应性强，可确保新能源汽车电缆导体和端子形成一个整体，接触电阻低，抗疲劳性能更优等优点；而传统压接主要依靠机械压力使金属发生塑性变形从而形成机械互锁结构来实现连接，具有工艺简单、操作方便等优点，但在高分子材料和薄壁构件的连接中存在一定的局限性。

工艺优势分析

3.1 能量效率

超声波焊接在能量效率利用方面具有显著优势。由于超声波焊接利用高频振动直接作用于焊接区域，引发分子之间摩擦生热，因此能耗转换率更高，减少了能量的损失，且整个焊接可以在极短的时间内完成（0.5-2秒/焊点），减少了总能耗，相比之下，传统压接需要持续大电流或液压驱动，能耗较高（典型能耗 2-5kW）。

3.2 材料适应性

3.2.1 热塑性塑料

超声波焊接还拥有良好的材料适应性。因为超声波焊接的原理是利用高频振动能量能够作用于材料分子，使材料局部熔融并形成冶金结合，除了金属材料外，超声波焊接能够连接多种高分子材料，包括多种热塑性塑料，主要用来实现产品的密封连接，其密封性能可以达到IP67等级。

3.2.2 异种金属

超声波焊接除了适配同种金属焊接外，在特定的异种金属焊接也表现出良好的连接性能，在新能源汽车电池以及新能源汽车轻量化中提供了新的技术思路，其原理为通过高频振动破除铝表面氧化膜（Al₂O₃，厚度 2-5μm），使铜铝原子直接接触，形成 CuAl₂金属间化合物层（厚度≤1μm），接头导电率达母材 85%，抗拉强度 ≥80MPa。，避免了传统压接所需要的镍过渡层。

3.2.3 压接局限：

相比之下，传统压接主要适用于机械连接，难以克服高分子材料和异种金属之间的物理和化学特性，所以只适用于导电金属之间的连接[3]。

3.3 接头性能

3.3.1 抗拉强度：牛领策略

超声波焊接接头达母材强度90%，传统压接仅70%-85% 抗疲劳性能：在10Hz 振动测试中，超声波焊接接头疲劳寿命达10⁶ 次循环无断裂，传统压接接头在5×10⁵ 次循环后出现裂纹。

3.3.2 导电性

超声波焊接通过高频振动并在一定压力下使两个被焊接材质摩擦生热，使焊接材质表面达到非熔融状态的塑性状态，在此过程中，可以有效的清除焊接表面异物和氧化膜（如铜的Cu₂O、铝的Al₂O₃），使被焊接材质中的结晶金属原子直接接触，原子间通过扩散形成金属键，两个接头界面几乎无间隙，无额外界面电阻。

压接是通过机械压力使金属塑性变形，压接材质之间虽然进行了机械咬合，但是其本身还可能存在氧化膜层或者微小的间隙，氧化层会增加材质本身的接触电阻，间隙则会造成电流在传输过程中需要多点跳跃传导，使接触电阻不稳定，而且随着压接材质的微动腐蚀和材料蠕变，氧化等，存在长期不可靠性。

注：测试条件：250A电流通电1.5h，断电0.5h，共100轮测试样件：70mm2Cu压接、70mm2Cu焊接测试结果：初始压接电阻约为焊接电阻的2倍，且整个测试过程中，压接电阻随着测试时间的增加，压接电阻不断增大，超声波电阻表现非常稳定，测试前后焊接电阻没有明显变化。

3.3.3 对热塑性材料的焊接

超声波焊接通过摩擦生热，使热塑性材料局部熔融结合，塑料如ABS、PC、尼龙可以完全结合，部分金属材质也可形成冶金如锂电池极耳焊接，可达到IP67 的防水等级，而压接时通过压合或者铆压，使材料变性进行物理咬合，但通常存在间隙，无法保证产品的气密性，通常需要采用其他辅助如密封圈，热缩套管，打胶等。

3.4 经济性分析

设备从经济性角度来看，超声波焊接与传统压接在设备成本和综合成本方面存在结构性差异。虽然超声波焊接设备的初始投资较高，约高出传统压接设备 20%-30%，但从长期运行和维护成本来看，超声波焊接更具优势。

首先，超声波焊接设备的维护成本较低。超声波焊接主要依靠高频振动使使焊接材料相互作用，只用提供一定的压力使两个材料能够粘连即可，避免了应力集中，焊头寿命高达10万次，但是传统压接依靠机械压力相互作用，在大压力（50-100KN）的作用下，磨具刃口易磨损，为保证压接质量，每压接1万次就需要对压接刀模进行更换。

其次，超声波焊接在生产效率方面的优势也有助于降低生产成本。由于超声波焊接速度快、能耗低，自动化程度更高，可以显著提高生产效率，降低生产成本。

在生产质量可靠性方面，超声波焊接也具有显著优势，超声波焊接在参数调整完毕以后受产品状态形象小，产品良品率更高，接触电阻低，焊接后氧化风险低，压接更加依赖压接刀模的精度和员工的操作规范，压接不良的风险更高，且超声波焊接的产品在振动、热循环、老化以后的性能表现更加优秀。

行业应用案例

4.1 新能源汽车线束连接

在新能源汽车行业日益增长的大电流大电压需求下，超声波焊接凭借其优秀的接触电阻，稳定的老化性能，在新能源汽车线束中得到了广泛的应用，如充电座，充电枪，高压连接器等，除了铜线和铜端子的焊接外，为了适配整车轻量化的需求，现在铝线和铜端子异种金属的焊接需求也越来越多，目前，超声波焊接已广泛应用于95/120/150铜线与铜端子以及95/120/150/200/250铝线与铜端子的连接，通过优化连接方式为超声波焊接，载流已经从250A到500A甚至600A的提升，真正的实现了充电5分钟，行驶400公里的跨越。因此，电动汽车高压线束超声波焊接工艺的开发就有着重要的意义。

4.2 电子锁产品工程塑料焊接

除了在金属方面的应用，超声波焊接还应用在塑料连接中，例如精密元器件电机锁，外壳使用工程尼龙塑料，在应用超声波焊接之前，电机锁采用的都是密封垫或者打胶方案，产品装配复杂，成本较高，后面引入了超声波焊接工艺，在焊接过程中，超声波焊接能够精确控制焊接能量和时间，确保焊接部位的塑料充分熔融，形成牢固的连接。同时，由于焊接时间短，不会对电子锁内部的电子元件造成热影响，保证了产品的性能与外观，使产品组装更加方便，外观也更加精致。

局限性讨论

超声波焊接虽然在很多场景的应用都十分出色，但是也有局限性，超声波焊接的原理限制其依赖材料局部熔融来实现分子层的扩散，在金属方面，高硬度材料高熔点金属（如刚＞600℃）焊接比较困难，无法在焊接面形成熔融状态行程有效的结合，在塑料方面，也会有热固性塑料，也因无法形成熔融的状态而只是形成机械镶嵌，有些塑料虽然能形成熔融状态，但是因为熔融状态的差异，无法形成有效的融合，对与某些脆性材料（如陶瓷）在焊接过程中会有开裂风险。

超声波焊接还受到焊接材质厚度的影响，一般金属件厚度要小于等于5mm，塑料件厚度要小于等于10mm，超过此范围时，超声波焊接的能量就会衰减，每增加1mm，能量损失15％-20%，导致焊接材料表面能量不足，导致焊接不充分，影响载流能力。且超声波焊接对焊接平面平面度要求较高，在平面有高度差时，能量传递不均可能也会导致虚焊或者局部过热。影响到焊接性能，且受到焊头形状的限制不能对三维或其他复杂结构进行焊接。

结论与展望

6.1 结论

超声波焊接通过其独特的高频振动摩擦生热实现局部熔融分子冶金结合原理和显著的高效、环保、精准，高良品率、低应力、高密封性，易自动化的工艺优势，正成为推动现代高端制造升级的核心连接技术，完美契合轻量化、微型化制造需求。其在轻质材料连接、精密元件加工、自动化生产等方面的表现，不仅解决了传统压接的精度不足、材料局限等问题，更推动了产品设计从 “妥协于连接工艺” 向 “释放材料潜力” 的转变。随着新能源汽车、消费电子、航空航天等领域对 “轻量 + 精密” 的需求持续升级，超声波焊接有望从 “优势技术” 发展为 “标配技术”，成为支撑高端制造的核心连接方案。

6.2 未来趋势

智能超声焊接（AI参数自适应）智能化升级：融合 AI 算法的智能超声波焊接机，可实时监测焊接压力、振幅、温度等参数，自动调整工艺参数（如针对不同批次材料的参数自学习），预计 2025 年智能设备渗透率达 60%。

材料与结构创新：开发适用于高温、高压环境的超声焊接工艺，突破钢、钛合金等难焊材料限制；研究三维曲面焊接技术，满足航空航天复杂结构件连接需求。

绿色制造深化：结合能量回收技术（如将振动余能转化为电能），进一步降低能耗；探索无涂层焊头技术，避免焊接过程中的二次污染。

作者：蒋珂李旭博（苏州瑞可达连接器股份有限公司）

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发布于：陕西省

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