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超聲波焊參數(shù)選擇

文章出處：深圳中工高周超聲設(shè)備有限公司發(fā)表時間：2014/10/1 21:32:16【大中小】

  超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率θ、振幅A、靜壓力F及焊接時間t，此外還應(yīng)考慮超聲波功率的選擇以及各參數(shù)之間的相互影響。在超聲波焊接中，點(diǎn)焊應(yīng)用得最普遍，下面以點(diǎn)焊為例討論各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。
1、超聲波振動頻率θ
  振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度。振動頻率一般在15～75kHz之間。頻率的選擇應(yīng)考慮被焊材料的物理性能和厚度，焊件較薄的選用比較高的振動頻率；焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強(qiáng)度較低時選用較低的振動頻率。這是由于在維持聲功能不變的前提下，提高振動頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應(yīng)力引起的疲勞破壞。
  振動頻度對焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度有影響，如圖14所示，材料越硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應(yīng)注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗將增大，因此大功率超聲波點(diǎn)焊機(jī)的頻率比較低，一般在15～20kHz范圍內(nèi)。振動頻率的精度是保證焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素，由于超聲波焊接過程中機(jī)械負(fù)荷的多變性，會出現(xiàn)隨機(jī)的失諧現(xiàn)象，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。
2、振幅A
  振幅是超聲波焊接工藝中基本的參數(shù)之一，它決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到焊接面氧化膜的去除、接合面的摩擦產(chǎn)熱、塑性變形區(qū)域的大小及塑性流動層的狀況等。因此，根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度正確選擇振幅的數(shù)值是獲得高可靠接頭的前提。振幅的選用范圍一般為5～25μm，小功率超聲波焊機(jī)一般具有高的振動頻率，但振幅范圍較低。低硬度的焊接材料或較薄的焊件應(yīng)選用較低的振幅；隨著材料硬度及厚度的提高，所選用的振幅也應(yīng)相應(yīng)提高。這是因?yàn)檎穹拇笮?yīng)著焊件接觸表面相對移動速度的大小，而焊接區(qū)的溫度、塑性流動以及摩擦功的大小又由該相對移動速度所確定。
  對于具體的焊件，存在一個合適的振幅范圍。圖15為鋁鎂合金在不同振幅值下焊點(diǎn)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)振幅A為17μm時，焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度最大，振幅減小，強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)振幅小于6μm時，已經(jīng)不能形成接頭，即使增加振動作用的時間也無效果。這是因?yàn)檎穹颠^小，焊件間相對移動速度過小所致。當(dāng)振幅值超過17μm時，焊點(diǎn)強(qiáng)度反而下降，這主要與金屬材料內(nèi)部及表面的疲勞破壞有關(guān)，因此振幅過大，由上聲極傳遞到焊件的振動剪力超過了它們之間的摩擦力，聲極與工件之間發(fā)生相對的滑動摩擦，并產(chǎn)生大量的熱和塑性變形，導(dǎo)致上聲極嵌入焊件，使有效接合截面減少所致。
  超聲波焊機(jī)的換能器材料和聚能器結(jié)構(gòu)決定了焊機(jī)振幅的大小，當(dāng)它們確定以后，要改變振幅，一般是通過調(diào)節(jié)起聲波發(fā)生器的電參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。此外，振幅值的選擇與其他參數(shù)有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。必須指出，在合適的振幅范圍內(nèi)，采用偏大的振幅可大大縮短焊接時間，提高焊接生產(chǎn)效率。
3、靜壓力F
  靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件，超聲波焊接時所需靜壓力的大小根據(jù)材料類型的不同而異。當(dāng)靜壓力過低時，由于超聲波幾乎沒有被傳遞到焊件，不足以在兩焊件界面產(chǎn)生一定的摩擦功，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動方面，因此不可能形成有效的連接。隨著靜壓力的增加，改善了振動的傳遞條件，使焊區(qū)溫度升高，材料的變形抗力下降，塑性流動的程度逐漸加?。涣硗猓捎趬簯?yīng)力的增加，接觸處塑性變形的面積及連接面積增加，因而接頭的強(qiáng)度增加。當(dāng)靜壓力達(dá)到一定數(shù)值后再增加壓力，接頭強(qiáng)度不再提高或反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)靜壓力過大時，振動能量不能合理地利用，使摩擦力過大，造成焊件間的相對摩擦運(yùn)動減弱，甚至?xí)拐穹涤兴档?，?dǎo)致了焊件間的連接面積不再增加或有所減小，加之材料壓潰造成接頭的實(shí)際接合截面減少，使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。
  在其他焊接條件不變的情況下，選用偏高的靜壓力，可以在較短的焊接時間內(nèi)得到同樣強(qiáng)度的焊點(diǎn)，這是因?yàn)槠叩撵o壓力能在振動早期較低的溫度下產(chǎn)生塑性變形所致。同時，選用偏高的靜壓力，能在較短的時間內(nèi)達(dá)到最高的溫度，縮短了焊接時間。
4、焊接時間t
  焊接時間對接頭質(zhì)量有很大影響，焊接時間太短時，表面的氧化膜來不及被破壞，只形成幾個凸點(diǎn)間的接觸，則接頭強(qiáng)度過低，甚至不能形成接頭。隨著焊接時間的延長，焊點(diǎn)強(qiáng)度迅速提高，在一定的焊接時間內(nèi)強(qiáng)度值不降低。但當(dāng)超聲波焊接時間超過一定值以后，焊點(diǎn)強(qiáng)度反而下降，這是由于焊件的熱輸入量過大，塑性區(qū)擴(kuò)大，上聲極陷入焊件，除了降低焊點(diǎn)的截面積以外，還容易引起焊點(diǎn)表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。對于不同的靜壓力，獲得接頭最佳強(qiáng)度所需的焊接時間不同，增大靜壓力的數(shù)值，可在某種程度上縮短焊接時間。
5、焊接功率P
  超聲波焊接時，功率的選擇主要取決于焊件的厚度和材料的硬度，由于在實(shí)際應(yīng)用中超聲波功率的測量尚有困難，因此常常用振幅來表示功率的大小，超聲波功率與振幅的關(guān)系可由下式確定：
P＝μSFυ＝μSF2Aω/π＝4μSFAθ
公式中
P——超聲波功率；
F——靜壓力；
S——焊點(diǎn)面積；
υ——相對速度；
A——振幅；
μ——摩擦系數(shù)；
ω——角頻率（ω＝2πθ）；
θ——振動頻率。
超聲波焊接時，振幅的選取范圍為5～25μm，當(dāng)換能器材料、結(jié)構(gòu)及其功率選定后，振幅值大小還與聚能器的放大系數(shù)有關(guān)。
  通常在確定上述各種焊接參數(shù)的相互影響時，可以通過繪制臨界曲線的方法來達(dá)到，即為靜壓力與功率的臨界關(guān)系曲線。一般選用最小可用功率時的靜壓力和比最小可用功率稍高一點(diǎn)的功率值進(jìn)行實(shí)際焊接。上述幾個焊接參數(shù)之間并不是孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。例如，塑料的超聲波焊接時，接頭質(zhì)量的好壞取決于換能器的振幅、靜壓力及焊接時間等因素的相互配合。焊接時間t和焊頭靜壓力F是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定，這三個量相互有最佳選擇值。焊接能量超過合適值時，材料的熔解量大，產(chǎn)生較大的變形。若焊接能量太小，則不易焊牢。
  除了焊接參數(shù)以外，上聲極材料、形狀尺寸及其表面狀態(tài)等因素也對焊接質(zhì)量有影響。

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