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使用特殊焊接接頭的超聲波焊接研究

近年來，隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的增強，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料越來越受到汽車行業(yè)的關(guān)注。但由于這些輕質(zhì)材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此在進(jìn)行電阻點焊時需要采用較大的焊接電流，從而導(dǎo)致了能源消耗的增加以及電極磨損的加快。而使用超聲波焊接可以解決上述問題。超聲波焊接是利用超聲波的高頻振動，在靜壓力作用下將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg摩擦功和變形能，對被焊工件進(jìn)行加熱焊接的一種壓力焊接方法。在整個焊接過程中，被焊工件不通電且不需要外加熱源，因而適用于鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料的連接。但是，常規(guī)的超聲波焊接裝置不能焊接開口較為狹窄且深度較深的零部件，對于這類零部件只能使用電阻點焊連接，從而限制了輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用。對此，文中給出一種帶有特殊形狀探頭的超聲波焊接系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)特殊形狀零部件的焊接。

該新焊接系統(tǒng)使用一個直徑較小且長度較長的焊接接頭，其它部件均保持不變，并配備一個壓電陶瓷超聲波換能器和一個扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)換器。為進(jìn)一步提高焊接特性，采用帶有振動速度檢測器和執(zhí)行器的靜態(tài)夾緊力控制系統(tǒng)，其可以保持焊接過程中夾緊力為恒定常數(shù)。該新焊接系統(tǒng)焊接接頭采用硬質(zhì)合金材料，焊接接頭直徑可設(shè)定為2.0mm和3.0mm，長度可設(shè)定為75mm和100mm。焊接時，焊接接頭的振動頻率為19.5kHz或27kHz，焊接軌跡為圓環(huán)形或矩形。為驗證新焊接系統(tǒng)的焊接效果，采用直徑3.0mm、長度75mm的焊接接頭，對0.3mm厚的鋁合金板和1.0mm厚的鋼板進(jìn)行焊接試驗。焊接設(shè)定振動頻率為19.5kHz，靜態(tài)夾緊力為200N，振動幅值分別設(shè)定為6μm和 10μm。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用新焊接系統(tǒng)焊接的板件，其焊接強度達(dá)到150N/mm，符合制造行業(yè)中焊接強度的要求。此外，隨著焊接接頭振動幅度的增加，焊接強度略有增加，但達(dá)到特定焊接強度所需的焊接時間大幅減少。

Jiromaru Tsujino et al. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceed-ings，Taipei Oct.21-24，2015.

編譯：陳丁躍