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超聲波焊接機(jī)變幅桿

2022-01-04 10:24
超聲變幅桿，又稱為超聲變速桿、超聲放大桿、超聲聚能器。在超聲波焊接機(jī)中，變幅桿也是超聲振動(dòng)系統(tǒng)中重要的組成部分之一。變幅桿在超聲加工當(dāng)中的作用主要體現(xiàn)在以下方面：
①放大振幅或者說(shuō)是聚能作用。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過(guò)它任一截面的振動(dòng)能量是不變的(傳播損耗不計(jì))，由于能量密度正比于振幅的平方，所以截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率(即諧振頻率)和外激振動(dòng)頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。
②有效傳遞能量。變幅桿在檢測(cè)超聲中可以作為機(jī)械阻抗變換器，使換能器與聲負(fù)載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負(fù)載之間傳遞交換超聲能量。
③固定機(jī)械系統(tǒng)。在超聲加工中，聲學(xué)系統(tǒng)要被很好的固定，否則將會(huì)影響加工的效果。通常情況下，我們都是在變幅桿所設(shè)計(jì)的波節(jié)上加工一個(gè)法蘭盤(pán)，然后將法蘭盤(pán)固定，從而將超聲加工中的聲學(xué)系統(tǒng)很好的固定，盡可能地減少機(jī)械能量的損耗。
④隔離作用。變幅桿使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學(xué)和化學(xué)上的隔絕，以免使加工時(shí)多余的熱量傳導(dǎo)到換能器上，影響換能器的性能。

變幅桿性能指標(biāo)


超聲變幅桿是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，了解它的參量也是很有必要的,在實(shí)際應(yīng)用中較常用的是：共振頻率、放大系數(shù)、形狀因數(shù)和輸入阻抗等。放大系數(shù)是指變幅桿工作在共振頻率時(shí)，輸出端與輸入端的質(zhì)點(diǎn)位移或者速度振幅的比值；形狀因數(shù)φ是衡量變幅桿所能達(dá)到的最大振動(dòng)速度指標(biāo)之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，φ值越大，所能達(dá)到的最大振動(dòng)速度也越大；輸入力阻抗定義為輸入端策動(dòng)力與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的復(fù)數(shù)比值。

變幅桿的類型


變幅桿的種類較多，主要有：階梯型、圓錐形、指數(shù)型、懸鏈型等一般型以及上述幾種類型組合而成的復(fù)合型變幅桿。

變幅桿是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一。在功率超聲技術(shù)的應(yīng)用中，不同的加工條件對(duì)變幅桿的要求也有所不同。在高頻強(qiáng)超聲處理應(yīng)用中，如超聲鉆切硬脆材料、超聲焊接、超聲金屬成形、超聲破碎及某些超聲治療等，變幅桿主要起放大聚能作用，對(duì)變幅桿要求有足夠大的放大系數(shù)。如果變幅桿的負(fù)載是固體，如超聲焊接、超聲鉆切等，在工作中還要求有一定的靜壓力，特別是在超聲加工過(guò)程中，加工工具有磨損，隨著工具的磨損，負(fù)載也要隨著變化，因此變幅桿還得具備較高的穩(wěn)定性和足夠的彎曲強(qiáng)度，所以采用指數(shù)型、懸鏈型或一些復(fù)合型變幅桿。若放大系數(shù)不大時(shí)，可采用圓錐型變幅桿，因?yàn)閳A錐型變幅桿的彎曲勁度大，工作穩(wěn)定性高，容易進(jìn)行機(jī)械加工。

當(dāng)變幅桿的負(fù)載是液體或者液體與固體粒子的混合液時(shí)，在超聲處理過(guò)程中，負(fù)載的變化較小，而且不需要外加靜壓力，對(duì)變幅桿的輸入阻抗特性及彎曲勁度要求不高，因此常采用簡(jiǎn)單的階梯型變幅桿。這種變幅桿在面積系數(shù)相同的情況下，放大系數(shù)最大，加工也比較容易。

在超聲加工中，在變幅桿的選用中還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：
①當(dāng)面積系數(shù)N相同時(shí)，對(duì)單一變幅桿而言，階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大，其次是懸鏈型、指數(shù)型，最小是圓錐型。其中，圓錐型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到5~10倍；指數(shù)型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到10~20倍，性能穩(wěn)定；階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到20倍以上，但它受到負(fù)載時(shí)，振幅減小的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，工作不夠穩(wěn)定，而且在粗細(xì)過(guò)渡的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。因此，在設(shè)計(jì)階梯型變幅桿時(shí)，其截面劇變處，盡量考慮加上過(guò)渡圓弧。
②指數(shù)型和圓錐型變幅桿的共振長(zhǎng)度L隨N的增大而增大。在N＝1.01~1.81范圍內(nèi)懸鏈型變幅桿的L隨N的增大而變短，以后隨N的增大而增大。
③在高頻強(qiáng)超聲加工中(如超聲拉管)，在變幅桿的輸出端需要有很大的振動(dòng)振幅。變幅桿的最大振動(dòng)速度除了受桿材料的疲勞強(qiáng)度限制以外也和變幅桿的形狀有關(guān)，所以在滿足所需要的放大系數(shù)之外，還應(yīng)選擇形狀因數(shù)大的變幅桿。階梯型變幅桿雖然放大系數(shù)很大，但其形狀因數(shù)φ最小。在面積系數(shù)N相同時(shí)，有φ圓錐﹥φ指數(shù)﹥φ懸鏈線﹥φ階梯。
④加工難易程度不同。階梯型變幅桿最容易加工，圓錐型變幅桿次之，指數(shù)型和懸鏈型最難加工。

超聲波金屬焊接變幅桿材料選擇


變幅桿從外形上看就是一塊金屬桿，但是它的性能有它的材料來(lái)決定。因此，使用什么樣的材料，對(duì)于超聲加工用的變幅桿相當(dāng)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)變幅桿材料的要求有以下幾點(diǎn)：
①在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小，傳聲效率高；
②所選材料的疲勞強(qiáng)度高，而聲阻抗小，以獲得較大的振動(dòng)速度和位移振幅；
③所用的材料易于機(jī)械加工；
④做液體處理應(yīng)用時(shí)，還要求變幅桿所用材料保證輻射面耐腐蝕。
鋁合金、鈦合金、銅鎳合金，如硬質(zhì)合金、鈹青銅等這些金屬材料都可滿足上述要求。鈦合金的性能較好，但是它的機(jī)械加工較困難，價(jià)格昂貴；鋁合金加工容易，但是抗超聲空化腐蝕能力差；鋼的價(jià)格便宜，并且容易加工，但是在損耗上有點(diǎn)高。
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