超聲波變幅桿材質(zhì)對焊接強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用鈦合金的變幅桿其焊接得到的焊縫強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)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(jī)械阻抗的作用，在換能器與負(fù)載之間進(jìn)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(dá)20 000次，因而變幅桿在加工中承受著高頻循環(huán)負(fù)載，加之材質(zhì)的內(nèi)阻尼因素，其負(fù)載節(jié)點(diǎn)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(fù)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(diǎn)與不足，例如鈦合金雖然強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)論將有助于進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果分析

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yàn)機(jī)（型號TKG EC 10-KN）進(jìn)行測量，ABS樣件測量如圖2所示，拉力試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)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(jī)和ABS焊接樣件

圖2　焊接成品強(qiáng)度測試

1.2結(jié)果分析

各材質(zhì)變幅桿焊接得到焊縫強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示，低碳鋼變幅桿得到的焊縫強(qiáng)度僅次于鈦合金，但其變幅桿質(zhì)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)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(qiáng)度是超聲波焊接質(zhì)量的重要考量指標(biāo)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(qiáng)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(qiáng)度與振幅大小具有一定的正比例關(guān)系。據(jù)此，在本次實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度，鈦合金變幅桿焊接焊縫強(qiáng)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(jī)在焊接加工過程中對變幅桿節(jié)點(diǎn)處的溫度進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(qiáng)度最高。

鋁合金變幅桿在焊接加工中其節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度

圖4　各材質(zhì)變幅桿焊接加工中節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)處溫升最高，節(jié)點(diǎn)溫度過高會降低變幅桿的諧振頻率，進(jìn)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(diǎn)溫升最小，這是因?yàn)槠鋬?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(qiáng)度也更高。

（4）ABS塑料樣件超聲波焊接得到的焊縫強(qiáng)度中，鈦合金變幅桿焊接得到的焊縫強(qiáng)度最高，這是因?yàn)殁伜辖鸩馁|(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(qiáng)度依次次之。

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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(xiàn)標(biāo)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?yàn)闄C(jī)電一體化。

收稿日期：2016-05-20

基金項(xiàng)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(xiàng)目(2013CXTD01)，貫流風(fēng)扇葉超聲波焊接機(jī)器人研發(fā)及柔性生產(chǎn)線示范（2013AH100013）。