孫長偉　陳蔡飛揚(yáng)

摘 要： 為了研究超聲波焊接儀焊頭在焊接空調(diào)工藝管（銅管）工作溫度時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，在達(dá)到一定次數(shù)后觀察不同含量焊頭的崩口或脆裂情況。研究結(jié)果表明用于空調(diào)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(dǎo)致雜質(zhì)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(shè)計(jì)提供優(yōu)化參考。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)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(zhuǎn)換成15-40KHz的電能，被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過通過換能器再次被轉(zhuǎn)換成同等頻率的機(jī)械運(yùn)動，機(jī)械運(yùn)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(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功，形變能及有限溫升。

焊頭作為設(shè)備直接作用部件，設(shè)備正常工作時(shí)：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(dá)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(chǎn)品質(zhì)量及造成焊頭報(bào)廢。本文建立六種不同成分含量的焊頭，通過實(shí)驗(yàn)及金相分析對不同含量焊頭的使用壽命進(jìn)行分析。

以下為Cr12型鋼主要化學(xué)成分用于參考焊頭焊頭各元素含量的配比：

本次試驗(yàn)材質(zhì)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(shè)備穩(wěn)定工作輸出能量約為950Ws，焊頭焊接次數(shù)不低于40000次。

本次共計(jì)設(shè)計(jì)配比六種焊頭，以下為各刀頭的成分含量及試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)3410±20℃，回火溫度≥700℃，遠(yuǎn)高于超聲波封口溫度200～300度溫度區(qū)間，同時(shí)W合金高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能、導(dǎo)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(xiàn)崩口;2號焊頭（崩口）不含W，散熱性、延展性、韌性差;同時(shí)二代刀頭Cr的含量約13.5%，是一代、國產(chǎn)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(shí)在275～375℃間時(shí)存在回火脆性區(qū)，導(dǎo)致材料硬脆，易出現(xiàn)崩口。

根據(jù)試驗(yàn)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(chǎn)生較大的影響。鉻和錳促進(jìn)雜質(zhì)元素磷等在奧氏體晶界偏聚，從而促進(jìn)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(zhuǎn)化溫度，但尚不足以抑制低溫回火脆性。硅能推遲回火時(shí)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(jù)上述驗(yàn)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(dǎo)致雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)得出符合各工作頻率及溫度的最佳焊頭成分選材。實(shí)驗(yàn)表明W、V、Mo含量提高有助于增加焊頭使用次數(shù)，對于其他金屬類焊接焊頭設(shè)計(jì)提供一定的參考思路。

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