使用特殊焊接接头的超声波焊接研究



使用特殊焊接接头的超声波焊接研究

近年来，随着人们环保节能意识的增强，铝合金、镁合金等轻质材料越来越受到汽车行业的关注。但由于这些轻质材料具有良好的导电性和导热性，因此在进行电阻点焊时需要采用较大的焊接电流，从而导致了能源消耗的增加以及电极磨损的加快。而使用超声波焊接可以解决上述问题。超声波焊接是利用超声波的高频振动，在静压力作用下将弹性振动能量转变为工件间摩擦功和变形能，对被焊工件进行加热焊接的一种压力焊接方法。在整个焊接过程中，被焊工件不通电且不需要外加热源，因而适用于铝合金、镁合金等轻质材料的连接。但是，常规的超声波焊接装置不能焊接开口较为狭窄且深度较深的零部件，对于这类零部件只能使用电阻点焊连接，从而限制了轻质材料的广泛应用。对此，文中给出一种带有特殊形状探头的超声波焊接系统，使用该系统可以实现特殊形状零部件的焊接。

该新焊接系统使用一个直径较小且长度较长的焊接接头，其它部件均保持不变，并配备一个压电陶瓷超声波换能器和一个扭转振动转换器。为进一步提高焊接特性，采用带有振动速度检测器和执行器的静态夹紧力控制系统，其可以保持焊接过程中夹紧力为恒定常数。该新焊接系统焊接接头采用硬质合金材料，焊接接头直径可设定为2.0mm和3.0mm，长度可设定为75mm和100mm。焊接时，焊接接头的振动频率为19.5kHz或27kHz，焊接轨迹为圆环形或矩形。为验证新焊接系统的焊接效果，采用直径3.0mm、长度75mm的焊接接头，对0.3mm厚的铝合金板和1.0mm厚的钢板进行焊接试验。焊接设定振动频率为19.5kHz，静态夹紧力为200N，振动幅值分别设定为6μm和 10μm。试验结果发现，采用新焊接系统焊接的板件，其焊接强度达到150N/mm，符合制造行业中焊接强度的要求。此外，随着焊接接头振动幅度的增加，焊接强度略有增加，但达到特定焊接强度所需的焊接时间大幅减少。

Jiromaru Tsujino et al. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceed-ings，Taipei Oct.21-24，2015.

编译：陈丁跃