超声波焊接仪焊头材质成分研究

孙长伟　陈蔡飞扬

摘 要： 为了研究超声波焊接仪焊头在焊接空调工艺管（铜管）工作温度时不同成分含量焊头的使用寿命。首先配比不同成分含量的焊头进行试验，在达到一定次数后观察不同含量焊头的崩口或脆裂情况。研究结果表明用于空调工艺管（铜管）焊接及切割的超声波焊头材料宜选用W、V、Mo含量较高，Cr含量较低的合金钢。其中Cr含量不超过6%，避免低温回火导致杂质及渗碳体在奥氏体晶界偏聚析出引起钢材变脆。该研究可为同类超声波焊接仪焊头设计提供优化参考。

关键词： 超声波焊头;铜管;成分含量;回火脆性;含量分析

【中图分类号】TG456.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）20-0181-01

超声波焊接利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦形成分子层之间的融合。通过超声波发生器将50/60Hz的电流转换成15-40KHz的电能，被转换的高频电能通过通过换能器再次被转换成同等频率的机械运动，机械运动通过一套可改变振幅的变幅杆装置传递到焊头（超声波刀头），在静压下将线框振动能量转变为工件间的摩擦功，形变能及有限温升。

焊头作为设备直接作用部件，设备正常工作时：超声波焊头能量范围为560Ws-900Ws之间，刀头温度：室温至190℃间（单工艺管，工作间隙5S的情况下），极限温度可达280℃。在高能超声波及连續作业的环境下，很容易造成焊头的崩口及裂纹，影响产品质量及造成焊头报废。本文建立六种不同成分含量的焊头，通过实验及金相分析对不同含量焊头的使用寿命进行分析。

以下为Cr12型钢主要化学成分用于参考焊头焊头各元素含量的配比：

本次试验材质主要为Cr12钢系，刀头硬度HRC58～60之间;主要热处理工艺为 980℃油淬，200℃回火;焊头使用要求：设备稳定工作输出能量约为950Ws，焊头焊接次数不低于40000次。

本次共计设计配比六种焊头，以下为各刀头的成分含量及试验结果：

各焊头使用情况对比如下：

1号焊头（W18Cr4V，高速钢）、2号焊头（5Cr4W5Mo2V，热作模具钢）含W成分5%以上，W合金熔点3410±20℃，回火温度≥700℃，远高于超声波封口温度200～300度温度区间，同时W合金高温强度和抗蠕变性能、导热性、延展性能较好，有利于散热，韧性较好，提高刀头韧性、散热的性能，不易出现崩口;2号焊头（崩口）不含W，散热性、延展性、韧性差;同时二代刀头Cr的含量约13.5%，是一代、国产的3倍，Cr的特性是提高金属的硬度、耐磨性，增加材料硬脆程度，同时在275～375℃间时存在回火脆性区，导致材料硬脆，易出现崩口。

根据试验可得，1号焊头、2号焊头均不崩口，W是主合金元素，含W成分5%以上，而2号焊头易崩口不含W;1号焊头、2号焊头、6号焊头含Cr成分4-5%，3号焊头、4号焊头、5号焊头Cr的含量9%-13.5%，Cr的含量相对较高，材料硬脆。

合金元素对钢材低温回火脆性产生较大的影响。铬和锰促进杂质元素磷等在奥氏体晶界偏聚，从而促进低温回火脆性，钨和钒基本上没有影响，钼降低低温回火的韧性—脆性转化温度，但尚不足以抑制低温回火脆性。硅能推迟回火时渗碳体析出，提高其生成温度，故可提高低温回火脆性发生的温度。

根据上述验证及分析，超声波焊接仪焊头材料宜选用W、V、Mo含量较高，W、V、Mo含量含量较低的合金钢。其中Cr含量建议不超过6%，避免低温回火导致杂质及渗碳体在奥氏体晶界偏聚析出引起钢材变脆。

本文所研究的超声波焊接仪焊头主要通过改变焊头中各元素含量的占比，通过实验得出符合各工作频率及温度的最佳焊头成分选材。实验表明W、V、Mo含量提高有助于增加焊头使用次数，对于其他金属类焊接焊头设计提供一定的参考思路。

参考文献

[1] 张胜玉.塑料焊接在汽车工业上的应用[J].塑料，2004，33（6）：89-94.

[2] 胡细超，朱星星.超声波探伤中对焊缝厚度变化的参数修正[J].工程质量.2014（12）.