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超声波金属焊接工艺参数

2022-02-23 14:21
超声波金属焊接主要的工艺参数有功率P、频率f、振幅A、静压力F和焊接时间t等。

①焊接需用的功率P(W)取决于工件的厚度δ(mm)和硬度H(HV),并可按下式确定:
P=kH3/2δ3/2
式中k为系数

②超声振动频率f:谐振频率一般在16~80kHz之间,频率选择应考虑被焊材料的物理性能及其厚度,在焊接薄件时选择比较高的谐振频率。其最佳操作频率则可随声极极头、工件和压紧力的变化而变化。

③振幅A:决定着摩擦功的大小,关系到焊接区表面氧化膜的去除条件、结合面摩擦生热情况、塑性变形范围的大小以及材料塑性流动的状况等。所选的振幅一般在5~25μm之间。超声波焊机功率P与振幅A之间的关系为:
P=4μSFAf
F为静压力,MPa;S为焊点面积,mm2;μ为摩擦系数;f为振动频率,Hz。
接头强度与振幅有密切的关系,对特定的材料来讲存在一个最合适的振幅范围。

④静压力F:静压力用来向工件传递超声振动能量,是直接影响功率输出及工件变形条件的重要因素。它的选择取决于材料硬度及厚度、接头型式以及使用的超声功率。
静压力过低时,很多振动能量将损耗在上声极与工件之间的表面摩擦上,还会使极头打滑并影响焊接质量。静压力过大时,除了增加需用功率外,还会因工件的压溃而降低焊点强度。

⑤焊接时间t:焊接时间是指超声功率输入工件的时间。它将决定输入到工件的能量大小。超声波焊接的特点是焊接时间特别短。然而,焊接时间过短,则焊接强度过低,甚至不形成接头。因此,选择大功率短时间的焊接条件,要比采用小功率长时间的焊接条件优越得多。因为,过长的焊接时间只会引起焊点的不良外观及可能导致的接头及工件的疲劳损伤。


其他超声波金属焊接工艺因素的影响


影响超声波焊接强度的主要工艺因素有:上下声极的材料、形状和表面状态;工件表面的热处理;焊接区气氛以及中间添加物等等。

上声极是传递超声波振动能量的最后一个环节,其材料的选择,端面尺寸以及表面状况均会影响焊点强度及其稳定性。

为了有效的传递振动能量要求上声极材料有尽可能大的摩擦系数,以保证上声极与工件间的摩擦力大于工件间的摩擦力,否则必将造成振动能量的严重损耗。有时在焊接生产中用砂纸打磨上声级的端部以提高其摩擦系数。

上声极材料应具有足够的强度和耐磨性,尤其希望有良好的高温强度和疲劳强度。这不仅对提高声极寿命有很大的意义,而且对保证焊点强度的稳定性也是十分必要的。提高上声极硬度还有利于防止声极与工件间发生严重咬合,进而造成工件表面及声极表面的破坏。目前在铝铜低碳钢等材料焊接时选用高速钢、滚动轴承钢制造的声极。而在焊接钛、锆、高强度钢及耐磨合金时,则选用镍基合金作为上下声极材料。也有人采用碳化钨硬质合金作为声极材料。

对于上声极端部,为了减轻焊点四周的应力集中以防止疲劳破坏,一般需制成球面。球面半径的大小影响工件接触面积,是确定焊点面积的重要因素。上声极端部球面半径的选择与焊件材料硬度及厚度有关。一般取球面半径为焊件厚度的50~100倍。材料愈薄相对比值愈大,材料愈软相对比值愈小。

还应重视上声极与变幅杆的联接质量,最好采用真空钎焊方法。同时在安装时要注意保持上声极与工件间的垂直度,随着位置(角度)的偏离,接头强度将会急剧下降。

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