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超聲波金屬焊接工藝參數(shù)
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的狀況等。所選的振幅一般在5~25μm之間。超聲波焊機功率P與振幅A之間的關(guān)系為：
P=4μSFAf
F為靜壓力，MPa；S為焊點面積，mm2;μ為摩擦系數(shù)；f為振動頻率，Hz。
接頭強度與振幅有密切的關(guān)系，對特定的材料來講存在一個最合適的振幅范圍。
④靜壓力F：靜壓力用來向工件傳遞超聲振動能量，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。
靜壓力過低時，很多振動能量將損耗在上聲極與工件之間的表面摩擦上，還會使極頭打滑并影響焊接質(zhì)量。靜壓力過大時，除了增加需用功率外，還會因工件的壓潰而降低焊點強度。
⑤焊接時間t：焊接時間是指超聲功率輸入工件的時間。它將決定輸入到工件的能量大小。超聲波焊接的特點是焊接時間特別短。然而，焊接時間過短，則焊接強度過低，甚至不形成接頭。因此，選擇大功率短時間的焊接條件，要比采用小功率長時間的焊接條件優(yōu)越得多。因為，過長的焊接時間只會引起焊點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能量的最后一個環(huán)節(jié)，其材料的選擇，端面尺寸以及表面狀況均會影響焊點強度及其穩(wěn)定性。
為了有效的傳遞振動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，否則必將造成振動能量的嚴(yán)重?fù)p耗。有時在焊接生產(chǎn)中用砂紙打磨上聲級的端部以提高其摩擦系數(shù)。
上聲極材料應(yīng)具有足夠的強度和耐磨性，尤其希望有良好的高溫強度和疲勞強度。這不僅對提高聲極壽命有很大的意義，而且對保證焊點強度的穩(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選用高速鋼、滾動軸承鋼制造的聲極。而在焊接鈦、鋯、高強度鋼及耐磨合金時，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。
對于上聲極端部，為了減輕焊點四周的應(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。材料愈薄相對比值愈大，材料愈軟相對比值愈小。
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。同時在安裝時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，接頭強度將會急劇下降。
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