超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析

2016-07-13徐中黄禹陈志丁斌华中科技大学制造装备工程中心湖北武汉430074广东顺威精密塑料股份有限公司广东佛山58305

橡塑技术与装备 2016年12期

徐中，黄禹,，陈志，丁斌（.华中科技大学制造装备工程中心，湖北武汉 430074；.广东顺威精密塑料股份有限公司，广东佛山 58305）

超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析

徐中1，黄禹1,2，陈志1，丁斌2
（1.华中科技大学制造装备工程中心，湖北武汉 430074；2.广东顺威精密塑料股份有限公司，广东佛山 528305）

摘要：变幅杆作为超声波焊接加工的重要组成部分，主要用于超声波焊接加工中能量的传递与放大，而传导到焊接面上的能量与焊接得到的焊缝强度具有直接的影响。变幅杆能量传递的效率不仅取决于变幅杆的设计方式，同样与其材质具有重要的关系。针对不同材质的变幅杆，例如铝合金、低碳钢、不锈钢和钛合金，采用单因素分析方法，分析了其变幅杆材质与超声波焊接强度的关系。实验结果表明，采用钛合金的变幅杆其焊接得到的焊缝强度最高，其次依次为低碳钢、铝合金和不锈钢。

关键词：超声波焊接；焊接强度；变幅杆；因素分析

超声波塑料焊接凭借其焊接速度快、焊接质量高的特点在塑料焊接领域中，特别是复杂曲面的塑料模具焊接中，得到了广泛的应用[1-3]。超声波焊接一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、焊头及配套的夹具组成，其中变幅杆在超声波焊接加工中主要起到能量传递与放大的作用。超声波的原始振幅一般很小，通常只有几微米，而实际加工应用中所需要的振幅在几十到几百微米左右，所以通常需要通过变幅杆将其振幅放大，并且变幅杆还可以起到机械阻抗的作用，在换能器与负载之间进行阻抗匹配，使超声波能量更有效地从换能器向待焊接面传递[4～7]。

焊接加工中，变幅杆在换能器的高频振动下其每秒伸缩率能高达20 000次，因而变幅杆在加工中承受着高频循环负载，加之材质的内阻尼因素，其负载节点处极易产生疲劳损坏与热损伤[8～10]。对于变幅杆材质的要求主要是具有良好的声学性能以及在循环负载下的抗疲劳损坏性能，常用变幅杆材料有铝合金、低碳钢、不锈钢及钛合金，上述各材质均有其优点与不足，例如钛合金虽然强度高，声学性能好，但其价格较贵；铝合金密度低，声学性能良好，但易磨损和断裂；合金钢强度高、耐磨损，但声学性能则相对较差。为了探究不同材质变幅杆对超声波焊接焊缝强度的影响，在相同设计尺寸下，采用上述四种材质制作变幅杆进行实验分析，实验结论将有助于进一步指导实际加工，以在不同的加工要求下选用合适的变幅杆材质，提升材质利用率。

1　实验设计与结果分析

1.1实验设计

实验采用的四种变幅杆材质性能如表1所示，各变幅杆除了材质不同，在其他方面均相同，以保证影响因素的单一性。如图1为塑料超声波焊接机与ABS焊接样品，焊接加工中各参数的设置如表2所示。不同材质变幅杆焊接得到的样件，采用拉力试验机（型号TKG EC 10-KN）进行测量，ABS样件测量如图2所示，拉力试验机应变速率为5 mm/min，每一材质的变幅杆均焊接三组样件，取平均值作为最终的焊缝强度值。

表1　各材质物理特性

表2　焊接加工参数设置

图1　塑料焊接机和ABS焊接样件

图2　焊接成品强度测试

1.2结果分析

各材质变幅杆焊接得到焊缝强度结果如图3所示，低碳钢变幅杆得到的焊缝强度仅次于钛合金，但其变幅杆质量却远远大于钛合金的变幅杆，相比铝合金和钛合金，合金钢的变幅杆质量分别是其的3倍与2倍，变幅杆的质量在焊接加工中同样是一个必须考虑的因素。在超声波焊接加工中受限于传感器的承重能力与焊接机总体重量的限制，变幅杆重量相对来说较小比较适宜，再者在相同重量限制下，如采用铝合金和钛合金，则可以制造出更大尺寸的变幅杆，因此大零件的焊接加工中通常是采用铝合金和钛合金变幅杆的。

焊缝强度是超声波焊接质量的重要考量指标之一，其受到众多因素的影响，其中振幅是其中一个关键的因素，振幅选用太小易产生不均匀的初始熔化及过早的熔体凝固，而振幅太大时又易使焊接面加热速度过快，导致熔化材料流动速度较快而产生大量的飞边并降低焊接强度[2]。根据Benatar and cheng[11]研究发现在一定范围内超声波焊接得到的焊缝强度与振幅大小具有一定的正比例关系。据此，在本次实验中，所有材质的变幅杆的放大振幅都是相同的（24 um）,因此焊接得到的焊缝强度也应大致相同，但由图3所示的ABS样件焊接得到的焊缝强度，钛合金变幅杆焊接焊缝强度最大，其次依次为低碳钢、铝合金和不锈钢。

为了解释其产生原因，采用红外摄像机在焊接加工过程中对变幅杆节点处的温度进行测量，结果如图4所示，从中可以看出，铝合金的变幅杆在焊接中其节点处温度最高，其次依次为低碳钢、不锈钢和钛合金。变幅杆焊接加工时的节点温升与其材质的内阻尼有关，内阻尼越大，损失在节点处的振动能量越多，因而其温度越高。焊接加工中变幅杆节点处温升不仅影响其使用寿命，还会带来其材质弹性模量与密度的改变，进一步降低其声学特性，影响到焊接加工质量。钛合金的内阻尼系数同其它材质是最小的，因而超声波振动能量最易从变幅杆传到焊接面处，中间损失能量小，变幅杆温升小，能量传递率高，因而在相同振幅下，其焊接面得到的能量最多，焊缝强度最高。

铝合金变幅杆在焊接加工中其节点处温升较高，因此铝合金的变幅杆不适合大批量、长时间的生产加工中，而比较适合于小批量，小部件的焊接。合金钢变幅杆相比铝合金变幅杆，其刚度和弹性模量更大，耐磨性更好，因而适合于大批量、长时间的加工环境中。在所有材质中钛合金变幅杆是最为理想的材料，但其价格昂贵，一般只用于关键部件的焊接中。

图3　各材质变幅杆焊接得到的样件焊缝强度

图4　各材质变幅杆焊接加工中节点处温升

2　结语

通过对不同材质变幅杆的超声波焊接实验，可以得出以下结论：

（1）四种材质变幅杆中，铝合金变幅杆节点处温升最高，节点温度过高会降低变幅杆的谐振频率，进而影响到焊接质量，这一类变幅杆不适用大批量、长时间的加工中。

（2）采用钛合金的变幅杆其节点温升最小，这是因为其内阻尼较小的原因，相比其它材质其在谐振频率下工作更为稳定。

（3）合金钢变幅杆中，低碳钢相比不锈钢其能承受的工作温度更高，焊接得到的焊缝强度也更高。

（4）ABS塑料样件超声波焊接得到的焊缝强度中，钛合金变幅杆焊接得到的焊缝强度最高，这是因为钛合金材质内阻尼较小，能量损失较小。低碳钢、铝合金和不锈钢变幅杆焊接焊缝强度依次次之。

参考文献：

[1] 陶永亮. 塑料焊接加工几种方法. 塑料制造， 2011(12): 75～79.

[2] 张胜玉. 塑料超声波焊接技术(上). 塑料包装， 2015. 25(1): 45～52.

[3] 刘晓兵，et al. 金属超声波焊接技术及其应用. 热加工工艺，2015(15):14～18.

[4] 王叶，陈斌. 超声波焊接原理及其工艺研究. 科技创业家，2013(7).

[5] 张宗波，et al. 超声波塑料焊接机理. 焊接学报， 2010. 31(11):29～32.

[6] 陈源，丁斌. 贯流风叶超声波焊接机的工艺优化. 中国包装工业，2015(1):101～102.

[7] 陆晓燕. 超声波塑料焊接机的振动系统设计. 装备制造技术，2010(4):58～60.

[8] 贺西平，高洁. 超声变幅杆设计方法研究. 声学技术，2006. 25(1):82～86.

[9] 高洁. 超声变幅杆的优化设计及声学特性分析. 陕西师范大学，2006.

[10] 谨亚辉. 超声波变幅杆优化设计及加工机理试验研究. 太原理工大学，2010.

[11] Benatar, A., R.V. Eswaran, S.K. Nayar, Ultrasonic welding of thermoplastics in the far-field. Journal of Biomolecular Structure & Dynamics,2012. 30(5):p. 54 6～558.

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