金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)設計及仿真

荊盼盼，鐘相強,2，劉彩霞，張本學

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016）

超聲波技術已廣泛用于生活的方方面面，比如，超聲波可以用于清洗物品、粉碎結石，也可以用于金屬切削、距離測量和聲化學反應等等。從醫(yī)學影像、化學化工到機械制造、金屬冶煉，到處都能看到超聲波的身影。超聲波技術的應用已為人類社會創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益［1-5］。

目前，超聲波金屬焊接技術［6-10］還不夠成熟，為此，人們還在做著各種努力。趙玉津等［11］發(fā)現(xiàn)利用超聲波金屬焊接技術焊接后常常出現(xiàn)焊接頭不牢的情況，還發(fā)現(xiàn)由于能量過大導致焊接面出現(xiàn)孔洞的情況?；诖耍疚脑O計了金屬箔片超聲點焊裝置，并著重對換能器、變幅桿和超聲點焊裝置機械系統(tǒng)設計進行了研究。

1 超聲換能器的設計

夾心式換能器［12］的結構如圖1所示。

圖1 夾心式換能器的結構

1.1 換能器參數(shù)的確定

換能器所使用材料的屬性參數(shù)見表1。

表1 材料的屬性參數(shù)

由于壓電換能器的頻率為20 kHz，輸入功率為3 kW，壓電陶瓷PZT-8的橫向聲速為3 100 m/s，故壓電陶瓷晶片的波長 λ 為155 mm，壓電陶瓷晶片的直徑為 λ 的1/4，即為38.75 mm。

圓柱形的縱向復合式振子為換能器的推動級，在允許范圍內盡可能把晶片直徑取大一些，因此晶片的外徑可以確定為56 mm，孔內徑可確定為16 mm，厚度可確定為8 mm。銅電極內、外徑的取值和陶瓷片一樣，而厚度可確定為0.3 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出以下結果：

單個晶片的體積為V =(R2?r2) t =(282mm2?82mm2)×8mm2=18cm，3六個陶瓷片所允許的輸入功率為W =kf Vn。取1≤k≤ 2時，2.16 k W≤ W≤4.32 kW，滿足單個換能器3 k W輸入功率的要求。

換能器中間部分的長度為L= 8 mm× 6+ 0 .3 mm× 6=49.8 mm。

前端蓋（輻射塊）和后端蓋（匹配塊）是牌號為LY12的硬鋁，其參數(shù)如下：D1= D2= 5 6 mm,ρ1=2.78 g/cm3, C1= C2= 5 .07× 1 05cm/s。 后 端 蓋 長 度 為L1= a rctan(0.823 0.0248) = 27.8 mm,故可確定為28mm;前端蓋長度63.4 mm,可確定為64 mm。

1.2 變幅桿尺寸的計算

變幅桿的形狀可設計為大圓弧過渡的階梯形。階梯形變幅桿因其設計簡單、制造容易，半波諧振長度最短，放大倍數(shù)最大而被廣泛使用。

下面分析諧振頻率為20 kHz的階梯形變幅桿的結構，其外形如圖2所示。

圖2 階梯形變幅桿的結構

變幅桿的截面滿足以下關系：當 0 ≤x≤λ 4時，D= D1；當 λ 4≤x≤λ 2時， D= D2。

共振長度 L =λ2，位移節(jié)點 X1=λ 4，放大系數(shù)M =N2。

在以上式子中：D1和D2表示變幅桿輸入端和輸出端的直徑 ( mm)；N為面積系數(shù)，且 N2=S1S2,S1和S2分別為變幅桿輸入端和輸出端的面積 ( mm2)；λ 為聲波波長，且 λ =c f，c為縱波在變幅桿中的傳播速度(m s),f為聲波的振動頻率 ( Hz)。

在選擇變幅桿的材料時，考慮到經(jīng)濟成本和加工難度，我們選擇 4 5# 鋼 作為變幅桿的材料。 45#鋼的密度是 ρ =7800 kg/m3，彈性模量是 E =210 GPa ,泊松比 μ = 0 .3。超聲波在 45#鋼中的傳播速度是c=5170 m/s。

取過渡圓弧的半徑 R =10 mm，變幅桿輸入端連接換能器，其直徑等于換能器直徑 D1，輸出端直徑為D2= 36 mm。則有：

面積系數(shù)為 N = D1D2=1.56，波長為0.024 3 ，諧振長度為 L =λ2 =129.29 mm,位移節(jié)點X0=λ4 = 64.625 mm，放大系數(shù)為Mp= N2= 2.43。由以上數(shù)據(jù)確定的超聲點焊振動系統(tǒng)的結構如圖3所示。

圖3 超聲點焊振動系統(tǒng)的結構

2 金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)裝置的設計

金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)裝置［13-14］的整體結構圖如圖4所示。從圖4可以看出，上蓋板是由兩塊蓋板卡在一起的，通過圓柱銷定位，利用圓柱頭內六角螺釘與機架固定。機架通過圓柱銷定位，通過圓柱頭內六角螺釘固定在底板上。氣缸通過圓柱頭內六角螺釘固定在蓋板上，氣缸與蓋板之間裝有減震墊片。工作臺組件通過圓柱頭內六角螺釘固定于底板上，其中工作臺組件采用層疊結構，在進行焊接工作時，可以有效增加系統(tǒng)阻尼。前支撐與變幅桿輔助支撐可滑動配合，并且通過圓柱頭內六角螺釘固定于滑動副的滑塊組上。同樣，換能器外殼也通過圓柱頭內六角螺釘固定于滑動副的滑塊組上，氣缸連接板上部通過氣缸螺釘與推桿連接，其下部通過圓柱頭內六角螺釘固定于變幅桿輔助支撐與換能器外殼上。

金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)裝置在工作時，進行上下移動，并且會受傾覆力的作用，因此本裝置采用四個直線滑動導軌副，以平衡傾覆力。并且通過UGNX對裝置進行重心分析后，以連接板的上圓面為原點，重心大概在原點靠后一點，這樣可以在運動過程中得到一個較好的傾角，防止在止點卡死，使運動過渡平穩(wěn)。

圖4 金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)裝置

3 換能器的有限元分析

3.1 模態(tài)分析

圖5是自由狀態(tài)下?lián)Q能器部分的10階模態(tài)總變形分析結果。從圖5可以看出，換能器達到了預期的振動狀態(tài)，此時振型為縱波，振動頻率為19 306 Hz，與諧振20 000 Hz相差694 Hz，誤差為3%，在5%的誤差范圍內，符合設計要求。

圖5 換能器模態(tài)分析

3.2 諧響應分析

換能器的諧響應幅值頻譜如圖6所示。由圖6可知：當頻率為20 000 Hz時，出現(xiàn)位移峰值，說明該結構符合設計要求。

圖6 換能器的諧響應結果

4 金屬箔片超聲點焊振動系統(tǒng)的有限元分析

4.1 模態(tài)分析

圖7為自由狀態(tài)下超聲點焊振動系統(tǒng)的19階模態(tài)分析結果。從圖7可以看出，超聲點焊振動系統(tǒng)達到了預期的振動狀態(tài)，此時振型為縱波，振動頻率為19 526 Hz，與諧振20 000 Hz相差694 Hz，誤差為2.37%，在5%的誤差范圍內，符合設計要求。

圖7 模態(tài)分析結果

4.2 諧響應分析

超聲點焊振動系統(tǒng)的諧響應幅值頻譜如圖8所示。從圖8可以看出，當頻率為20 000 Hz時，出現(xiàn)位移峰值，這說明該結構符合設計要求。

圖8 諧響應結果

5 結論

在本文中，我們確定了換能器的幾何參數(shù)，設計了變幅桿的尺寸和金屬超聲點焊系統(tǒng)裝置的結構，并借助ANSYS軟件和有限元方法進行了模態(tài)分析和諧響應分析。結果表明，換能器和超聲點焊振動系統(tǒng)均滿足設計要求，這為金屬箔片超聲點焊系統(tǒng)裝置的研制奠定了基礎。