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超聲波變幅桿材質(zhì)對焊接強度的影響

2021-11-19 18:09
超聲波塑料焊接憑借其焊接速度快、焊接質(zhì)量高的特點在塑料焊接領域中，特別是復雜曲面的塑料模具焊接中，得到了廣泛的應用。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，而實際加工應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械阻抗的作用，在換能器與負載之間進行阻抗匹配，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下其每秒伸縮率能高達20000次，因而變幅桿在加工中承受著高頻循環(huán)負載，加之材質(zhì)的內(nèi)阻尼因素，其負載節(jié)點處極易產(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性能以及在循環(huán)負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)點與不足，例如鈦合金雖然強度高，聲學性能好，但其價格較貴；鋁合金密度低，聲學性能良好，但易磨損和斷裂；合金鋼強度高、耐磨損，但聲學性能則相對較差。為了探究不同材質(zhì)變幅桿對超聲波焊接焊縫強度的影響，在相同設計尺寸下，采用上述四種材質(zhì)制作變幅桿進行實驗分析，實驗結論將有助于進一步指導實際加工，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度結果如下圖所示，低碳鋼變幅桿得到的焊縫強度僅次于鈦合金，但其變幅桿質(zhì)量卻遠遠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度
各材質(zhì)超聲波變幅桿焊接得到的樣件焊縫強度
 
通過對不同材質(zhì)變幅桿的超聲波焊接實驗得出以下結論：（1）四種材質(zhì)變幅桿中，鋁合金變幅桿節(jié)點處溫升最高，節(jié)點溫度過高會降低變幅桿的諧振頻率，進而影響到焊接質(zhì)量，這一類變幅桿不適用大批量、長時間的加工中。（2）采用鈦合金的變幅桿其節(jié)點溫升最小，這是因為其內(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，焊接得到的焊縫強度也更高。（4）ABS塑料樣件超聲波焊接得到的焊縫強度中，鈦合金變幅桿焊接得到的焊縫強度最高，這是因為鈦合金材質(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度依次次之。