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超聲波金屬焊接工藝參數(shù)

2022-02-23 14:21
超聲波金屬焊接主要的工藝參數(shù)有功率P、頻率f、振幅A、靜壓力F和焊接時(shí)間t等。

①焊接需用的功率P（W）取決于工件的厚度δ（mm）和硬度H（HV），并可按下式確定：
P=kH3/2δ3/2
式中k為系數(shù)

②超聲振動(dòng)頻率f：諧振頻率一般在16~80kHz之間，頻率選擇應(yīng)考慮被焊材料的物理性能及其厚度，在焊接薄件時(shí)選擇比較高的諧振頻率。其最佳操作頻率則可隨聲極極頭、工件和壓緊力的變化而變化。

③振幅A：決定著摩擦功的大小，關(guān)系到焊接區(qū)表面氧化膜的去除條件、結(jié)合面摩擦生熱情況、塑性變形范圍的大小以及材料塑性流動(dòng)的狀況等。所選的振幅一般在5~25μm之間。超聲波焊機(jī)功率P與振幅A之間的關(guān)系為：
P=4μSFAf
F為靜壓力，MPa；S為焊點(diǎn)面積，mm2;μ為摩擦系數(shù)；f為振動(dòng)頻率，Hz。
接頭強(qiáng)度與振幅有密切的關(guān)系，對(duì)特定的材料來(lái)講存在一個(gè)最合適的振幅范圍。

④靜壓力F：靜壓力用來(lái)向工件傳遞超聲振動(dòng)能量，是直接影響功率輸出及工件變形條件的重要因素。它的選擇取決于材料硬度及厚度、接頭型式以及使用的超聲功率。
靜壓力過(guò)低時(shí)，很多振動(dòng)能量將損耗在上聲極與工件之間的表面摩擦上，還會(huì)使極頭打滑并影響焊接質(zhì)量。靜壓力過(guò)大時(shí)，除了增加需用功率外，還會(huì)因工件的壓潰而降低焊點(diǎn)強(qiáng)度。

⑤焊接時(shí)間t：焊接時(shí)間是指超聲功率輸入工件的時(shí)間。它將決定輸入到工件的能量大小。超聲波焊接的特點(diǎn)是焊接時(shí)間特別短。然而，焊接時(shí)間過(guò)短，則焊接強(qiáng)度過(guò)低，甚至不形成接頭。因此，選擇大功率短時(shí)間的焊接條件，要比采用小功率長(zhǎng)時(shí)間的焊接條件優(yōu)越得多。因?yàn)椋^(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間只會(huì)引起焊點(diǎn)的不良外觀及可能導(dǎo)致的接頭及工件的疲勞損傷。

其他超聲波金屬焊接工藝因素的影響


影響超聲波焊接強(qiáng)度的主要工藝因素有：上下聲極的材料、形狀和表面狀態(tài)；工件表面的熱處理；焊接區(qū)氣氛以及中間添加物等等。

上聲極是傳遞超聲波振動(dòng)能量的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其材料的選擇，端面尺寸以及表面狀況均會(huì)影響焊點(diǎn)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。

為了有效的傳遞振動(dòng)能量要求上聲極材料有盡可能大的摩擦系數(shù)，以保證上聲極與工件間的摩擦力大于工件間的摩擦力，否則必將造成振動(dòng)能量的嚴(yán)重?fù)p耗。有時(shí)在焊接生產(chǎn)中用砂紙打磨上聲級(jí)的端部以提高其摩擦系數(shù)。

上聲極材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，尤其希望有良好的高溫強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。這不僅對(duì)提高聲極壽命有很大的意義，而且對(duì)保證焊點(diǎn)強(qiáng)度的穩(wěn)定性也是十分必要的。提高上聲極硬度還有利于防止聲極與工件間發(fā)生嚴(yán)重咬合，進(jìn)而造成工件表面及聲極表面的破壞。目前在鋁銅低碳鋼等材料焊接時(shí)選用高速鋼、滾動(dòng)軸承鋼制造的聲極。而在焊接鈦、鋯、高強(qiáng)度鋼及耐磨合金時(shí)，則選用鎳基合金作為上下聲極材料。也有人采用碳化鎢硬質(zhì)合金作為聲極材料。

對(duì)于上聲極端部，為了減輕焊點(diǎn)四周的應(yīng)力集中以防止疲勞破壞，一般需制成球面。球面半徑的大小影響工件接觸面積，是確定焊點(diǎn)面積的重要因素。上聲極端部球面半徑的選擇與焊件材料硬度及厚度有關(guān)。一般取球面半徑為焊件厚度的50~100倍。材料愈薄相對(duì)比值愈大，材料愈軟相對(duì)比值愈小。

還應(yīng)重視上聲極與變幅桿的聯(lián)接質(zhì)量，最好采用真空釬焊方法。同時(shí)在安裝時(shí)要注意保持上聲極與工件間的垂直度，隨著位置(角度)的偏離，接頭強(qiáng)度將會(huì)急劇下降。

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