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超聲波變幅桿材質(zhì)對焊接強(qiáng)度的影響

2021-11-19 18:09
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。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。
 
焊接加工中，變幅桿在換能器的高頻振動(dòng)下其每秒伸縮率能高達(dá)20000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。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(jià)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(jì)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。
 
各材質(zhì)變幅桿焊接得到焊縫強(qiáng)度結(jié)果如下圖所示，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(gè)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。
各材質(zhì)超聲波變幅桿焊接得到的樣件焊縫強(qiáng)度
各材質(zhì)超聲波變幅桿焊接得到的樣件焊縫強(qiáng)度
 
通過對不同材質(zhì)變幅桿的超聲波焊接實(shí)驗(yàn)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(shí)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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