超聲波變幅桿材質(zhì)對焊接強度的影響分析

徐中，黃禹,，陳志，丁斌（.華中科技大學(xué)制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 58305）

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超聲波變幅桿材質(zhì)對焊接強度的影響分析

徐中1，黃禹1,2，陳志1，丁斌2
（1.華中科技大學(xué)制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；2.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305）

摘要：變幅桿作為超聲波焊接加工的重要組成部分，主要用于超聲波焊接加工中能量的傳遞與放大，而傳導(dǎo)到焊接面上的能量與焊接得到的焊縫強度具有直接的影響。變幅桿能量傳遞的效率不僅取決于變幅桿的設(shè)計方式，同樣與其材質(zhì)具有重要的關(guān)系。針對不同材質(zhì)的變幅桿，例如鋁合金、低碳鋼、不銹鋼和鈦合金，采用單因素分析方法，分析了其變幅桿材質(zhì)與超聲波焊接強度的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，采用鈦合金的變幅桿其焊接得到的焊縫強度最高，其次依次為低碳鋼、鋁合金和不銹鋼。

關(guān)鍵詞：超聲波焊接；焊接強度；變幅桿；因素分析

超聲波塑料焊接憑借其焊接速度快、焊接質(zhì)量高的特點在塑料焊接領(lǐng)域中，特別是復(fù)雜曲面的塑料模具焊接中，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。超聲波焊接一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、焊頭及配套的夾具組成，其中變幅桿在超聲波焊接加工中主要起到能量傳遞與放大的作用。超聲波的原始振幅一般很小，通常只有幾微米，而實際加工應(yīng)用中所需要的振幅在幾十到幾百微米左右，所以通常需要通過變幅桿將其振幅放大，并且變幅桿還可以起到機械阻抗的作用，在換能器與負載之間進行阻抗匹配，使超聲波能量更有效地從換能器向待焊接面?zhèn)鬟f[4～7]。

焊接加工中，變幅桿在換能器的高頻振動下其每秒伸縮率能高達20 000次，因而變幅桿在加工中承受著高頻循環(huán)負載，加之材質(zhì)的內(nèi)阻尼因素，其負載節(jié)點處極易產(chǎn)生疲勞損壞與熱損傷[8～10]。對于變幅桿材質(zhì)的要求主要是具有良好的聲學(xué)性能以及在循環(huán)負載下的抗疲勞損壞性能，常用變幅桿材料有鋁合金、低碳鋼、不銹鋼及鈦合金，上述各材質(zhì)均有其優(yōu)點與不足，例如鈦合金雖然強度高，聲學(xué)性能好，但其價格較貴；鋁合金密度低，聲學(xué)性能良好，但易磨損和斷裂；合金鋼強度高、耐磨損，但聲學(xué)性能則相對較差。為了探究不同材質(zhì)變幅桿對超聲波焊接焊縫強度的影響，在相同設(shè)計尺寸下，采用上述四種材質(zhì)制作變幅桿進行實驗分析，實驗結(jié)論將有助于進一步指導(dǎo)實際加工，以在不同的加工要求下選用合適的變幅桿材質(zhì)，提升材質(zhì)利用率。

1　實驗設(shè)計與結(jié)果分析

1.1實驗設(shè)計

實驗采用的四種變幅桿材質(zhì)性能如表1所示，各變幅桿除了材質(zhì)不同，在其他方面均相同，以保證影響因素的單一性。如圖1為塑料超聲波焊接機與ABS焊接樣品，焊接加工中各參數(shù)的設(shè)置如表2所示。不同材質(zhì)變幅桿焊接得到的樣件，采用拉力試驗機（型號TKG EC 10-KN）進行測量，ABS樣件測量如圖2所示，拉力試驗機應(yīng)變速率為5 mm/min，每一材質(zhì)的變幅桿均焊接三組樣件，取平均值作為最終的焊縫強度值。

表1　各材質(zhì)物理特性

表2　焊接加工參數(shù)設(shè)置

圖1　塑料焊接機和ABS焊接樣件

圖2　焊接成品強度測試

1.2結(jié)果分析

各材質(zhì)變幅桿焊接得到焊縫強度結(jié)果如圖3所示，低碳鋼變幅桿得到的焊縫強度僅次于鈦合金，但其變幅桿質(zhì)量卻遠遠大于鈦合金的變幅桿，相比鋁合金和鈦合金，合金鋼的變幅桿質(zhì)量分別是其的3倍與2倍，變幅桿的質(zhì)量在焊接加工中同樣是一個必須考慮的因素。在超聲波焊接加工中受限于傳感器的承重能力與焊接機總體重量的限制，變幅桿重量相對來說較小比較適宜，再者在相同重量限制下，如采用鋁合金和鈦合金，則可以制造出更大尺寸的變幅桿，因此大零件的焊接加工中通常是采用鋁合金和鈦合金變幅桿的。

焊縫強度是超聲波焊接質(zhì)量的重要考量指標之一，其受到眾多因素的影響，其中振幅是其中一個關(guān)鍵的因素，振幅選用太小易產(chǎn)生不均勻的初始熔化及過早的熔體凝固，而振幅太大時又易使焊接面加熱速度過快，導(dǎo)致熔化材料流動速度較快而產(chǎn)生大量的飛邊并降低焊接強度[2]。根據(jù)Benatar and cheng[11]研究發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)超聲波焊接得到的焊縫強度與振幅大小具有一定的正比例關(guān)系。據(jù)此，在本次實驗中，所有材質(zhì)的變幅桿的放大振幅都是相同的（24 um）,因此焊接得到的焊縫強度也應(yīng)大致相同，但由圖3所示的ABS樣件焊接得到的焊縫強度，鈦合金變幅桿焊接焊縫強度最大，其次依次為低碳鋼、鋁合金和不銹鋼。

為了解釋其產(chǎn)生原因，采用紅外攝像機在焊接加工過程中對變幅桿節(jié)點處的溫度進行測量，結(jié)果如圖4所示，從中可以看出，鋁合金的變幅桿在焊接中其節(jié)點處溫度最高，其次依次為低碳鋼、不銹鋼和鈦合金。變幅桿焊接加工時的節(jié)點溫升與其材質(zhì)的內(nèi)阻尼有關(guān)，內(nèi)阻尼越大，損失在節(jié)點處的振動能量越多，因而其溫度越高。焊接加工中變幅桿節(jié)點處溫升不僅影響其使用壽命，還會帶來其材質(zhì)彈性模量與密度的改變，進一步降低其聲學(xué)特性，影響到焊接加工質(zhì)量。鈦合金的內(nèi)阻尼系數(shù)同其它材質(zhì)是最小的，因而超聲波振動能量最易從變幅桿傳到焊接面處，中間損失能量小，變幅桿溫升小，能量傳遞率高，因而在相同振幅下，其焊接面得到的能量最多，焊縫強度最高。

鋁合金變幅桿在焊接加工中其節(jié)點處溫升較高，因此鋁合金的變幅桿不適合大批量、長時間的生產(chǎn)加工中，而比較適合于小批量，小部件的焊接。合金鋼變幅桿相比鋁合金變幅桿，其剛度和彈性模量更大，耐磨性更好，因而適合于大批量、長時間的加工環(huán)境中。在所有材質(zhì)中鈦合金變幅桿是最為理想的材料，但其價格昂貴，一般只用于關(guān)鍵部件的焊接中。

圖3　各材質(zhì)變幅桿焊接得到的樣件焊縫強度

圖4　各材質(zhì)變幅桿焊接加工中節(jié)點處溫升

2　結(jié)語

通過對不同材質(zhì)變幅桿的超聲波焊接實驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）四種材質(zhì)變幅桿中，鋁合金變幅桿節(jié)點處溫升最高，節(jié)點溫度過高會降低變幅桿的諧振頻率，進而影響到焊接質(zhì)量，這一類變幅桿不適用大批量、長時間的加工中。

（2）采用鈦合金的變幅桿其節(jié)點溫升最小，這是因為其內(nèi)阻尼較小的原因，相比其它材質(zhì)其在諧振頻率下工作更為穩(wěn)定。

（3）合金鋼變幅桿中，低碳鋼相比不銹鋼其能承受的工作溫度更高，焊接得到的焊縫強度也更高。

（4）ABS塑料樣件超聲波焊接得到的焊縫強度中，鈦合金變幅桿焊接得到的焊縫強度最高，這是因為鈦合金材質(zhì)內(nèi)阻尼較小，能量損失較小。低碳鋼、鋁合金和不銹鋼變幅桿焊接焊縫強度依次次之。

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(P-01)

Infl uence analysis of ultrasonic horns material on welding strength

中圖分類號：TG409

文章編號：1009-797X(2016)12-0091-03

文獻標識碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.038

作者簡介：徐中（1992-），男，碩士，在讀，主要研究方向為機電一體化。

收稿日期：2016-05-20

基金項目：家電送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及制造的數(shù)字化、智能化技術(shù)研究與應(yīng)用項目(2013CXTD01)，貫流風(fēng)扇葉超聲波焊接機器人研發(fā)及柔性生產(chǎn)線示范（2013AH100013）。