功率超聲在金屬焊接中應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉佳 董春雨

摘要：本文介紹了超聲波在金屬焊接中的應(yīng)用，從超聲波的效應(yīng)、超聲焊接技術(shù)、焊接機(jī)的應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：超聲波；焊接；效應(yīng)；技術(shù)

一、前言

當(dāng)前，在金屬焊接技術(shù)中，超聲波具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠產(chǎn)生一系列的特殊效應(yīng)，在焊接作業(yè)中取得了明顯效果。

二、超聲波效應(yīng)

超聲波在傳播過程中，傳播介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)做高頻振動(dòng)，會(huì)使超聲波產(chǎn)生能量衰減。各種載聲介質(zhì)影響超聲傳播行為的同時(shí)，超聲波的傳播也會(huì)產(chǎn)生一系列特殊的效應(yīng)，作用于介質(zhì)的物化狀態(tài)。

1、聲流效應(yīng)聲流是超聲在流體中傳播引起的非周期振蕩。介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收，會(huì)使超聲在介質(zhì)各處的聲壓不同，形成聲壓梯度帶。聲壓梯度達(dá)到幅值，流體會(huì)形成噴射，稱為聲流效應(yīng)。聲流現(xiàn)象隨聲壓變化而發(fā)生改變。線性介質(zhì)內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)速率正比于聲壓及聲波頻率的平方；非線性介質(zhì)內(nèi)聲阻抗不斷變化。

2、空化效應(yīng)

超聲波跟其他所有聲波一樣，由收縮和膨脹兩個(gè)過程構(gòu)成一個(gè)周期。收縮過程中會(huì)在金屬中產(chǎn)生正壓，將金屬原子聚集到一起；膨脹過程會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，將原子拉開。如果膨脹的半個(gè)周期中金屬某處的壓力小于其本身的蒸發(fā)壓，氣泡就可以產(chǎn)生。而且，氣泡會(huì)繼續(xù)長大直到在受壓縮的半個(gè)周期發(fā)生破裂，這樣又會(huì)產(chǎn)生能量很高的沖擊波作用于金屬。在超聲波作用期間會(huì)有數(shù)千個(gè)氣泡不斷地生成、破裂，對(duì)金屬帶來持續(xù)的沖擊。

空化作用產(chǎn)生所需要的負(fù)壓值依賴于液體的種類和純度。對(duì)于純液體來說，超聲波很難產(chǎn)生足夠的負(fù)壓以導(dǎo)致氣泡的生成。以純水為例，要產(chǎn)生空化氣泡大約需要相當(dāng)于1000個(gè)大氣壓的負(fù)壓，即使是能量最高的超聲波發(fā)生器也很難達(dá)到這個(gè)值。但是，如果液體中固體顆粒的周圍有氣體包圍，液體的蒸汽壓會(huì)被降低。這樣的效果類似于固體中的氣孔或裂紋會(huì)降低材料的強(qiáng)度。當(dāng)充滿氣體的縫隙處受到超聲波負(fù)壓的作用時(shí)，填充在縫隙里的氣體就會(huì)膨脹直到形成一個(gè)氣泡進(jìn)入液體里面。大多數(shù)的液體物質(zhì)里面都會(huì)有這樣細(xì)小的顆粒來激發(fā)空化氣泡的形成。超聲激發(fā)的氣泡會(huì)持續(xù)從超聲波的收縮與膨脹周期中吸收能量，趨向于達(dá)到一個(gè)內(nèi)部氣體和液體金屬之間壓力的動(dòng)態(tài)平衡。有時(shí)，超聲波能夠維持氣泡的大小，使其做簡單的震動(dòng)；有時(shí)，氣泡尺寸會(huì)增有所增加。氣泡長大依賴于超聲能量的大小。高能量超聲可以使氣泡在負(fù)壓作用時(shí)迅速長大，在正壓作用時(shí)沒有機(jī)會(huì)收縮。因此，這時(shí)的氣泡會(huì)迅速長大。而低能量超聲作用時(shí)，負(fù)壓作用下的氣泡表面積會(huì)比正壓作用下略大，這也就導(dǎo)致了擴(kuò)散進(jìn)入氣泡的氣體會(huì)比從氣泡中擴(kuò)散出來的氣體量少，經(jīng)過很多個(gè)收縮和膨脹周期后，氣泡略微長大。最終，氣泡會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界尺寸，這是它吸收超聲能量是最多的。這個(gè)臨界尺寸的值由超聲頻率決定。當(dāng)氣泡不再能夠吸收超聲波的能量時(shí)，液體會(huì)沖向氣泡導(dǎo)致其破裂，我們稱之為內(nèi)爆。

三、超聲波焊接技術(shù)的工藝研究

1、適合超聲波焊接的材料

熱塑性塑料是超聲波焊接的理想材料。因?yàn)榇朔N材料高溫受壓時(shí)不會(huì)形成不可恢復(fù)的分子聯(lián)結(jié)鍵，能夠重新加熱后迸行重塑。熱塑性塑料又包括非結(jié)晶性塑料和半結(jié)晶性塑料兩種類型。非結(jié)晶性聚合物的分子排列是隨機(jī)的，沒有確定的熔點(diǎn)。非結(jié)晶性聚合物傳遞能量的效率較高，因此只需較少的能量即可熔化。半結(jié)晶性聚合物的分子排列是極為有序的，且呈重復(fù)結(jié)構(gòu)特征。有一個(gè)非常確定的熔點(diǎn)。半結(jié)晶性聚合物熔化需要很高的溫度，要吸收大量的熱量，這使它比半結(jié)晶性聚合物更難焊接。

2、超聲波焊接方式

超聲波按連接方式可分為超聲波焊接、超聲波鉚接、超聲波點(diǎn)焊、超聲波埋植樹四種。

3、超聲波焊接焊線的設(shè)計(jì)

超聲波焊接過程中在超聲波振動(dòng)能的作用下，焊接線首先開始熔化，熔體在壓力作用下向被焊產(chǎn)品上下表面鋪展，這樣在被焊產(chǎn)品之間形成一層薄薄的熔融塑料，當(dāng)停止超聲后，溫度降下來熔融塑料凝固從而使被焊產(chǎn)品連接在一起。依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)及場(chǎng)合，焊線一般采用三角形焊線、圍邊式焊線、峰谷式焊線和臺(tái)階式焊線。

四、超聲波焊接機(jī)的應(yīng)用

將超聲波焊接機(jī)應(yīng)用在鋁箔分切機(jī)上進(jìn)行鋁箔的焊合，還需配套相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)、位置檢測(cè)、機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和壓力調(diào)節(jié)控制等裝置，如行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。行走、升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓緊裝置由氣缸控制，并可調(diào)整壓力。發(fā)生器的振幅、行走速度（焊接時(shí)間）、焊盤的接觸壓力可根據(jù)鋁箔厚度進(jìn)行調(diào)整。

焊接裝置的組成主要有：

1套壓電陶瓷超聲波焊接裝置，功率在150～600W之間，可用于焊接0.006～0.04mm的鋁箔。其中包括：

1個(gè)高頻發(fā)生器，安裝在全鋼機(jī)殼內(nèi)（20kHz公稱頻率）。

1個(gè)高頻換能器，用于能量傳遞與轉(zhuǎn)換。

1個(gè)帶對(duì)稱旋轉(zhuǎn)的專用超聲波焊盤，用于焊接鋁箔斷頭。

1條專用電纜，用于超聲波發(fā)生器和換能器的連接。

1套安裝在主機(jī)架上的橫向移動(dòng)裝置，包括焊接小車。焊接時(shí)，焊接小車由一臺(tái)帶精密定位調(diào)節(jié)裝置的變頻伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在線性導(dǎo)軌上移動(dòng)（傳動(dòng)速度為1～8.5m/min）。焊頭在線性球形導(dǎo)軌上自動(dòng)移至焊接位置。焊接裝置在不使用時(shí)移至位于導(dǎo)軌外伸段的停泊位置處，以免影響機(jī)器的操作。焊盤的壓力可在>0至400N之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1套焊接輥，用于支撐鋁箔和焊盤，作為鋁箔焊接的平臺(tái)。

五、超聲波焊接裝置的主要調(diào)節(jié)參數(shù)

由于鋁箔所具有的獨(dú)特金屬性能，對(duì)他的焊接性能要求較高，壓力和振幅等參數(shù)調(diào)整不合適極容易造成鋁箔斷裂或產(chǎn)生孔洞，致使金屬材料抗拉強(qiáng)度不夠。因此，在對(duì)不同厚度和合金規(guī)格的鋁箔進(jìn)行焊接時(shí)，需要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1、振幅大?。╝mplitude）：振幅是鋁箔焊接過程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于電鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會(huì)熔接不上，溫度過高就會(huì)使原材料氧化或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差。超聲波焊接機(jī)在工作時(shí)，它的輸出振幅是恒定的，并需根據(jù)不同的焊接材料進(jìn)行精確調(diào)整。振幅通過調(diào)節(jié)旋鈕使振幅在額定振幅的30%～100%范圍之間變化，同時(shí)對(duì)應(yīng)額定焊接輸出功率在6%～100%范圍的變化。

2、焊接時(shí)間（weldingtime）：用于調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射的持續(xù)時(shí)間，最大調(diào)節(jié)時(shí)間為999ms，一般的根據(jù)焊接材料及厚度進(jìn)行設(shè)定，通常超過1.5S熔接時(shí)間均可視作失敗熔接。

3、焊接頻率：調(diào)節(jié)焊接機(jī)的中心頻率，一般出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)整好，無需調(diào)整。

4、接觸壓力：氣動(dòng)部分主要作用是在焊接過程中完成焊盤加壓、保壓等壓力工作。包括節(jié)流閥、氣壓調(diào)節(jié)旋鈕。節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)氣缸的上、下速度。氣壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)工作氣壓，從而控制焊盤與鋁箔的接觸壓力。

改變焊接頭的接觸壓力和調(diào)節(jié)振幅，均能改變焊接輸出功率的大小。增加焊接機(jī)輸出功率時(shí)應(yīng)相應(yīng)的減少焊接時(shí)間，以避免輸出能量的損失，同時(shí)，可以將超聲波發(fā)生器發(fā)出的振動(dòng)能量全部作用在焊接物體的熔合面上。功率過低將造成損耗增加，同時(shí)產(chǎn)生熔焊不足的效果。由于受材料特性的限制，僅靠增加焊接機(jī)振幅來提高輸出功率是有限的，超出機(jī)器承受的振幅能力會(huì)使焊盤損壞。壓力和振幅設(shè)定不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成輸出功率超出焊接機(jī)的額定輸出功率，動(dòng)態(tài)過載報(bào)警將啟動(dòng)，此時(shí)功率表指針將指向紅色區(qū)域，LED燈亮起，此時(shí)由于一些能量被反饋回電源，焊接能量得不到有效利用，會(huì)造成焊接過程失敗，因此應(yīng)盡量避免這種過載狀態(tài)。

5、超聲波焊接機(jī)的動(dòng)態(tài)過載保護(hù)和過熱保護(hù)功能。動(dòng)態(tài)過載保護(hù)是為了保護(hù)超聲波發(fā)生器出現(xiàn)過載損壞，當(dāng)功率超出額定功率或發(fā)生器/換能器系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運(yùn)行（如焊盤損壞和松動(dòng)）時(shí)，過載現(xiàn)象將產(chǎn)生。此時(shí)，多余的能量將回饋電網(wǎng)。只有當(dāng)故障消除后，焊接機(jī)才能正常工作。當(dāng)冷卻條件和環(huán)境溫度超出正常值，過熱保護(hù)將啟動(dòng)，只有當(dāng)發(fā)生器溫度降低后，才能繼續(xù)工作。

六、結(jié)束語

總之，超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，隨著該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步完善，也必將發(fā)揮更大的作用，獲得更加廣闊的發(fā)展空間。

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