超聲波金屬焊接質(zhì)量的實驗研究

　　1.

　　超聲波金屬焊接機是連接小零件的高效焊接設(shè)備，如焊絲焊接、多層拉片焊接、線束焊接等。也可以連接一些厚金屬板，這取決于焊接條件和參數(shù)的設(shè)置。本文采用不同的參數(shù)進行了一系列試驗，并在特定的焊接設(shè)備和焊接頭條件下進行了撕裂拉伸試驗。通過控制振幅和減少外觀問題來提高焊接強度和質(zhì)量。用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究焊縫質(zhì)量。

　　熔焊：加熱待連接的工件，使其局部熔化形成熔池。熔池冷卻固化，然后加入。如有必要，可以添加它來輔助各種金屬和合金的焊接過程，而無需施加壓力。焊接接觸面是液體和液體。

　　無論有無加熱，壓力焊：對組合焊件施加一定的壓力，導(dǎo)致塑性變形或熔化，通過再結(jié)晶和擴散這種焊接方法，兩個獨立表面上的原子達到金屬鍵的形成和組合。焊接接觸面牢固耐用。

　　2.超聲波金屬焊接

　　超聲波金屬焊接是一種壓力焊接工藝。焊接過程中，多層材料在縱向壓力下緊密配合，同時施加橫向高頻剪切振動。在振動過程中，材料被壓縮和變形，剪切運動去除了表面突起，去除了表面氧化物和污染物，增加了焊接部件之間的接觸面積。

　　超聲波金屬焊接最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代和90年代初，當(dāng)時是用于晶粒細化和凝固，但目前這項技術(shù)可以應(yīng)用于各種軟、硬金屬連接。與其他焊接設(shè)備相比，超聲波焊接設(shè)備體積小、重量輕、通用性強。另外，焊接過程不需要任何輔料，生產(chǎn)效率高，環(huán)境友好。因此，超聲波焊接已經(jīng)成為許多工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究應(yīng)用中公認(rèn)和廣泛使用的高效連接技術(shù)。

　　超聲波焊接系統(tǒng)由電源、傳感器、調(diào)幅器、焊頭、底座和機架組成。

　　在焊接研究中，為了改善焊縫和焊縫質(zhì)量，進行了兩項研究：

　　(1)焊頭設(shè)計分析和焊嘴振幅測試；

　　(2)焊接參數(shù)的實驗研究。焊接強度通過焊接零件的撕裂試驗進行評估。通過對變形表面的顯微觀察來評估焊接質(zhì)量?？紤]到現(xiàn)場人員的實用性，此處省略了焊頭設(shè)計的分析和焊嘴振幅的測量(該部分的分析和檢驗報告由設(shè)備/模具供應(yīng)商提供)，突出了不同焊接參數(shù)下的實驗研究結(jié)果，為現(xiàn)場工程師調(diào)整參數(shù)提供指導(dǎo)。3.焊接實驗

　　3.1實驗設(shè)置

　　使用20個20.8 kW的超聲波電箱。在8千赫時，焊接頭和傳感器組件通過安裝支架連接到機器支架上，如圖2所示。在機架上方安裝一個2kN的壓力傳感器來測量焊接壓力。焊嘴和焊頭底座上有滾花，如圖3所示。用鋁和銅焊接的試樣，50  10mm，厚度0.1-0.5mm，兩條金屬條的搭接面積為10  10mm，即超聲波焊接面積，焊點直徑為6 mm，如圖4所示。每組參數(shù)焊接5件進行撕裂試驗，記錄平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。材料組合為：鋁、銅、鋁、銅。

　　2實驗裝置

　　圖3焊頭上焊頭和底座的滾花

　　圖4金屬棒尺寸和焊點外觀

　　3.2分段振幅

　　大多數(shù)生產(chǎn)現(xiàn)場使用恒定振幅，即振幅在整個焊接過程中保持不變。還有一個選擇，分段振幅。兩級幅度切換可以通過時間、位置、功率或能量觸發(fā)。一種方法是在焊接開始時使用更高的振幅，這樣焊接界面可以以更高的速度“擦洗”表面，并在緊密接觸的表面上建立固態(tài)焊接。然后減小振幅以降低摩擦生熱和軟化程度，避免對金屬板產(chǎn)生過大的剪切損傷。本實驗采用分段振幅進行了一系列實驗，研究了振幅與焊接強度和質(zhì)量的關(guān)系。

　　3.3實驗結(jié)果-相同材料的焊接強度

　　對于不同的振幅和焊接壓力，鋁和銅的焊接強度如圖5-6所示。鋁和銅材料的厚度為0.1毫米。在每組參數(shù)下測試5片的撕裂張力，圖中每個誤差條代表5片撕裂張力的標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明，

　　隨著焊接壓力的增加，焊接強度增加。這里你需要說明一下，壓力過大會導(dǎo)致摩擦力過大，抑制接觸面的相對運動，導(dǎo)致焊接強度降低。振幅越大，焊接強度越大。然而，焊接強度的波動(標(biāo)準(zhǔn)偏差)在40um振幅時變得更大，并且產(chǎn)品的外觀變得更差。采用40-17um的分段振幅，不僅可以減小焊接強度分布的標(biāo)準(zhǔn)差(減小波動)，還可以表現(xiàn)出更好的焊接強度。相同焊接強度下，鋁的焊接強度優(yōu)于銅。

　　圖5鋁的焊接壓力和焊接強度曲線

　　6銅-銅焊接壓力和焊接強度曲線

　　3.4實驗結(jié)果-不同材料的焊接強度

　　當(dāng)焊接不同的材料時，將哪種材料放在上面以接觸焊接頭是非常重要的。鋁板與銅板的結(jié)合比鋁板與銅板的結(jié)合具有明顯更好的焊接強度。當(dāng)焊接壓力大于500-600N時，恒幅或分段幅下的焊接強度顯著降低，因為材料容易與焊頭結(jié)合，導(dǎo)致強度降低。在這個過程中，可以觀察到材料的硬度和表面粗糙度對焊接強度有顯著影響。