影響超聲波金屬焊接質(zhì)量的主要因素

2021-04-13 17:16

超聲波金屬焊接具有焊接速度快、導(dǎo)電性好、接合強(qiáng)度高及固態(tài)加工等優(yōu)點(diǎn)。超聲波焊接開(kāi)始時(shí)，切向振動(dòng)使金屬表面氧化層破碎，使得金屬表面變得粗糙，摩擦力劇增，粗糙面繼續(xù)擴(kuò)大，金屬母體材料的晶團(tuán)被剪切、擠壓、變形、晶間被破壞，同時(shí)局部溫度劇升。中期階段，晶團(tuán)軟化破碎的氧化層微顆粒已被混入晶團(tuán)，被晶團(tuán)包圍。此時(shí)，如果繼續(xù)加壓，被焊金屬將繼續(xù)塑性變形（被壓?。?。到后期，振動(dòng)停止時(shí)溫度劇降，晶團(tuán)冷卻晶界低熔點(diǎn)雜質(zhì)被細(xì)化，分子之間、晶粒之間被糅合在一起，類(lèi)似熔合。

影響超聲波金屬焊接質(zhì)量的主要因素：

(1) 振幅：
振幅對(duì)于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),不同的換能器輸出的振幅也不同，同一換能器也可以通過(guò)配置不同的變幅桿及焊頭來(lái)改變焊頭的工作振幅,以滿足對(duì)不同材料的焊接要求.通常的換能器的輸出振幅為 5~20μm，而工作振幅一般為10~30μm 左右，工作振幅同換能器輸出振幅、變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān) 。

A o;為振幅，f 為工作頻率。如果選擇振幅為 30μm，工作頻率為 20kHz，則通過(guò)計(jì)算可得出超聲波工作時(shí)的最大加速度 a，約為 4.8 萬(wàn)個(gè)重力加速度g。超聲波焊接就是在這樣的往復(fù)加速度下使金屬連接起來(lái)。

(2) 頻率：
任何的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如 20、40kHz 等，焊接機(jī)的工作頻率主要由超聲波換能器 (Transducer)、超聲波變幅桿 (Booster)、和超聲波焊頭 (Horn) 的機(jī)械共振頻率所決定。 超聲波發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部分都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍諧振體。超聲波發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍。以 20kHz 為例。諧振工作范圍一般設(shè)定為 (20±0.3)kHz，在此范圍內(nèi)焊接機(jī)基本都能夠正常工作。制作每一個(gè)焊頭時(shí)都會(huì)對(duì)諧振頻率做調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1kHz。目前超聲波金屬焊接所用的頻率通常為 20 kHz，實(shí)際上焊頭的頻率一般會(huì)控制在19.90~20.10 k Hz，誤差小于 5‰。

(3) 節(jié)點(diǎn) ：
焊頭、超聲波變幅桿均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長(zhǎng)諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅最大，應(yīng)力最小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力最大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不一定為零振幅，這樣就會(huì)引起一些叫聲和一部分的能量損失，對(duì)于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用降振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行屏蔽，能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮。橡膠圈被稱為軟固定，降振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般被稱為硬固定。在超聲波金屬焊接里，通常會(huì)采用硬固定結(jié)構(gòu) ，硬固定結(jié)構(gòu)還有端面固定模式。

(4) 網(wǎng)紋：
超聲波金屬焊接通常會(huì)在焊接位表面，底座表面設(shè)計(jì)網(wǎng)紋，網(wǎng)紋設(shè)計(jì)的目地在于防止金屬件的滑動(dòng)，盡可能將能量傳遞到焊接位。網(wǎng)紋設(shè)計(jì) 一般有方形、菱形、條形網(wǎng)紋，網(wǎng)紋的大小與深淺根據(jù)具體的焊接材料要求來(lái)確定。

(5) 電源：
金屬焊接裝置使用的超聲波電源和供塑料焊接裝置使用的超聲波電源沒(méi)有很大的區(qū)別。特殊性在于焊接金屬具有更高的要求，為了滿足金屬焊接的需要，必需使用智能化的超聲波電源 - 超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器具有頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) ，在焊接過(guò)程中負(fù)載變化及溫升發(fā)生變化會(huì)引起振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率的改變，因此，要求超聲波發(fā)生器要跟蹤振動(dòng)系統(tǒng)的頻率，使發(fā)生器和振動(dòng)系統(tǒng)之間一直處于諧振狀態(tài)，頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能夠補(bǔ)償在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的工作狀態(tài)改變，使系統(tǒng)重新處于諧振狀態(tài)并保正焊接參數(shù)的穩(wěn)定，重點(diǎn)是振幅的穩(wěn)定，這對(duì)于金屬焊接具有非常重要的意義。

(6) 換能器：
供金屬超聲波焊接裝置使用的換能器和供塑料超聲波焊接裝置使用的換能器沒(méi)有很大的區(qū)別，特殊性在于焊接金屬材料具有更高的質(zhì)量要求，因?yàn)樵诤附咏饘俨牧蠒r(shí)往往需要很大的瞬間功率，要求換能器有高的功率容量和低的阻抗，因此用于塑料超聲波焊接裝置的小功率換能器不能用于金屬的超聲波焊接。

超聲波金屬焊接技術(shù)是在超聲波塑料焊接技術(shù)之上發(fā)展起來(lái)的，但遠(yuǎn)沒(méi)有像超聲波塑料焊接技術(shù)那樣獲得廣泛的應(yīng)用，目前超聲波金屬焊接主要應(yīng)用于汽車(chē)、制冷、太陽(yáng)能、電池、電子等幾個(gè)領(lǐng)域。

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