超聲波焊接儀焊頭材質成分研究

孫長偉　陳蔡飛揚

摘 要： 為了研究超聲波焊接儀焊頭在焊接空調工藝管（銅管）工作溫度時不同成分含量焊頭的使用壽命。首先配比不同成分含量的焊頭進行試驗，在達到一定次數后觀察不同含量焊頭的崩口或脆裂情況。研究結果表明用于空調工藝管（銅管）焊接及切割的超聲波焊頭材料宜選用W、V、Mo含量較高，Cr含量較低的合金鋼。其中Cr含量不超過6%，避免低溫回火導致雜質及滲碳體在奧氏體晶界偏聚析出引起鋼材變脆。該研究可為同類超聲波焊接儀焊頭設計提供優(yōu)化參考。

關鍵詞： 超聲波焊頭;銅管;成分含量;回火脆性;含量分析

【中圖分類號】TG456.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-3733（2020）20-0181-01

超聲波焊接利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦形成分子層之間的融合。通過超聲波發(fā)生器將50/60Hz的電流轉換成15-40KHz的電能，被轉換的高頻電能通過通過換能器再次被轉換成同等頻率的機械運動，機械運動通過一套可改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭（超聲波刀頭），在靜壓下將線框振動能量轉變?yōu)楣ぜg的摩擦功，形變能及有限溫升。

焊頭作為設備直接作用部件，設備正常工作時：超聲波焊頭能量范圍為560Ws-900Ws之間，刀頭溫度：室溫至190℃間（單工藝管，工作間隙5S的情況下），極限溫度可達280℃。在高能超聲波及連續(xù)作業(yè)的環(huán)境下，很容易造成焊頭的崩口及裂紋，影響產品質量及造成焊頭報廢。本文建立六種不同成分含量的焊頭，通過實驗及金相分析對不同含量焊頭的使用壽命進行分析。

以下為Cr12型鋼主要化學成分用于參考焊頭焊頭各元素含量的配比：

本次試驗材質主要為Cr12鋼系，刀頭硬度HRC58～60之間;主要熱處理工藝為 980℃油淬，200℃回火;焊頭使用要求：設備穩(wěn)定工作輸出能量約為950Ws，焊頭焊接次數不低于40000次。

本次共計設計配比六種焊頭，以下為各刀頭的成分含量及試驗結果：

各焊頭使用情況對比如下：

1號焊頭（W18Cr4V，高速鋼）、2號焊頭（5Cr4W5Mo2V，熱作模具鋼）含W成分5%以上，W合金熔點3410±20℃，回火溫度≥700℃，遠高于超聲波封口溫度200～300度溫度區(qū)間，同時W合金高溫強度和抗蠕變性能、導熱性、延展性能較好，有利于散熱，韌性較好，提高刀頭韌性、散熱的性能，不易出現崩口;2號焊頭（崩口）不含W，散熱性、延展性、韌性差;同時二代刀頭Cr的含量約13.5%，是一代、國產的3倍，Cr的特性是提高金屬的硬度、耐磨性，增加材料硬脆程度，同時在275～375℃間時存在回火脆性區(qū)，導致材料硬脆，易出現崩口。

根據試驗可得，1號焊頭、2號焊頭均不崩口，W是主合金元素，含W成分5%以上，而2號焊頭易崩口不含W;1號焊頭、2號焊頭、6號焊頭含Cr成分4-5%，3號焊頭、4號焊頭、5號焊頭Cr的含量9%-13.5%，Cr的含量相對較高，材料硬脆。

合金元素對鋼材低溫回火脆性產生較大的影響。鉻和錳促進雜質元素磷等在奧氏體晶界偏聚，從而促進低溫回火脆性，鎢和釩基本上沒有影響，鉬降低低溫回火的韌性—脆性轉化溫度，但尚不足以抑制低溫回火脆性。硅能推遲回火時滲碳體析出，提高其生成溫度，故可提高低溫回火脆性發(fā)生的溫度。

根據上述驗證及分析，超聲波焊接儀焊頭材料宜選用W、V、Mo含量較高，W、V、Mo含量含量較低的合金鋼。其中Cr含量建議不超過6%，避免低溫回火導致雜質及滲碳體在奧氏體晶界偏聚析出引起鋼材變脆。

本文所研究的超聲波焊接儀焊頭主要通過改變焊頭中各元素含量的占比，通過實驗得出符合各工作頻率及溫度的最佳焊頭成分選材。實驗表明W、V、Mo含量提高有助于增加焊頭使用次數，對于其他金屬類焊接焊頭設計提供一定的參考思路。

參考文獻

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