熊威 沈明杰

（1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，遼寧沈陽 110000；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

0.引言

超聲波固結(jié)是在超聲波焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種增材制造方法[1]。作為高性能復(fù)合材料制備方法，其在制備功能梯度材料結(jié)構(gòu)、纖維增強(qiáng)金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、金屬層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、智能金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等方面潛力巨大。此外，也可將光纖和傳感器嵌入工件中，實現(xiàn)零件與信息傳遞系統(tǒng)一體化[2-3]。

該技術(shù)基于超聲波振動塑性加工原理，以金屬箔作為原材料，超聲波3D打印設(shè)備實際上是一個內(nèi)置了超聲波焊接技術(shù)的數(shù)控銑床。本文對超聲波3D打印機(jī)中實現(xiàn)焊接功能的核心裝置超聲焊接頭組件做深入分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了組件結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)集成，并對主要零件進(jìn)行了聲固耦合有限元仿真分析。

1.超聲焊接系統(tǒng)

1.1 超聲焊接系統(tǒng)原理

超聲焊接系統(tǒng)是將工頻電流轉(zhuǎn)化為超聲振動的系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部件為換能器、變幅桿、耦合桿以及焊接頭，系統(tǒng)框架如圖1所示[4-5]。

圖1 超聲焊接系統(tǒng)框架圖

其工作原理為：由變頻超聲波發(fā)生器將工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡l率的振蕩電流，換能器則通過磁致收縮效應(yīng)將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動能。把換能器與彈性振動變幅桿相連接，變幅桿用來協(xié)調(diào)換能器和負(fù)荷的參數(shù)，并通過耦合桿和上聲極耦合到工件。系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，從而向受靜壓力Q工件輸出彈性振動能，V1、V2振動方向，通過這種能量轉(zhuǎn)換，兩種薄材工件被焊接在一起。

1.2 系統(tǒng)聲學(xué)計算

超聲波換能器與超聲波變幅桿在長度方向上均取聲波的半波長。根據(jù)超聲波固結(jié)原理，使得焊件高速振動摩擦主要是縱波，因此需要得到縱波的波速與波長，縱波在細(xì)長棒中傳播速度如公式（1）。

式中：E—彈性模量（MPa）；

ρ—材料密度（g/mm3）；

根據(jù)以上聲學(xué)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)的尺寸形狀，從而得到諧振頻率與裝夾位置。通過適當(dāng)調(diào)整尺寸保證諧振頻率一致，使焊接頭工作在振幅最大的波腹位置，將加壓與裝夾設(shè)置在振幅最小的駐波節(jié)點位置。

1.3 超聲波焊接的主要工藝參數(shù)

本文通過理論分析與計算，確定了超聲波焊接主要工藝參數(shù)的取值。取諧振頻率為20kHz；焊接時間τ一般不超過4s；換能器輸出振幅為15μm，工作振幅ξm為20μm。

超聲功率P也是一個重要工藝參數(shù)，超聲波焊接的功率和負(fù)載有關(guān)，具體關(guān)系為表達(dá)式（2），其中K為常數(shù)、δ焊接工件厚度、H材料硬度。

2.超聲焊接頭組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文依據(jù)超聲波傳播機(jī)理，設(shè)計了超聲波3D打印機(jī)的超聲焊接系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、超聲波焊接頭等零部件的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計。

設(shè)計選用大功率超聲波發(fā)生器，輸出功率為9kW；采用了鋱鏑鐵（Terfenol-D）磁致伸縮換能器，工作頻率為20kHz，輸出振幅為15μm。

2.1 變幅桿

超聲變幅桿的主要作用是把機(jī)械振動的質(zhì)點位移或速度放大，或者將超聲波的能量集中在較小的面積上，也就是聚能作用。本文中采用半波長圓截面指數(shù)型變幅桿。變幅桿設(shè)計參數(shù)：大端直徑40mm；小端直徑30mm；面積系數(shù)1.3，諧振長度125.83mm。

2.2 超聲波焊接頭

超聲波焊接的過程中需要對工件施加靜壓力，而壓力需要通過超聲波焊接頭來傳遞。焊接頭選用TC4鈦合金（Ti-6Al-4V），經(jīng)熱處理其洛氏硬度43HRC。其結(jié)構(gòu)采用對稱式設(shè)計，以抵消彎曲力矩；為減小工作表面處使聲波波長，需加大此處截面面積。同時，工作表面兩邊的駐波節(jié)點處即為施加壓力位置。

超聲焊接頭組件的其他零部件包括：外殼與裝夾裝置、滑動軸承、同步轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)、集電環(huán)等。需考慮散熱、裝夾、減摩、焊接頭的振動與轉(zhuǎn)動協(xié)同、及轉(zhuǎn)動體導(dǎo)電問題。

最終設(shè)計完成的超聲焊接頭組件整體組裝三維模型如圖2所示。

圖2 超聲波振動系統(tǒng)整體組裝圖

3.超聲焊接頭組件有限元分析

超聲波固結(jié)設(shè)備的振動與系統(tǒng)的聲學(xué)特性密切相關(guān)。超聲振動系統(tǒng)的機(jī)械振動和內(nèi)部聲腔空氣的聲振動相互耦合，相互影響。本文應(yīng)用COMSOL Multiphysics[6]對超聲振動系統(tǒng)中的變幅桿，超聲焊接頭進(jìn)行了聲固耦合分析。

變幅桿的聲固耦合分析如圖3所示。從圖上可以看到，變幅桿與換能器、焊接頭的連接側(cè)以及法蘭面上的聲波密度較大，主體部分聲波密度較小，整體的耦合振動在合理的范圍內(nèi)。

圖3 變幅桿的聲固耦合分析

超聲波焊接頭的聲固耦合分析如圖4所示。從圖上可以看到，焊接頭處聲波密度較大，符合上文分析的超聲波焊接頭上的波形要求，整體的耦合振動在合理的范圍內(nèi)。

圖4 超聲波焊接頭的聲固耦合分析

4.結(jié)語

本文從聲學(xué)原理為出發(fā)，研究了超聲波3D打印機(jī)焊接頭組件。超聲波換能器采用鋱鏑鐵（Terfenol-D）磁致伸縮換能器；半波長圓截面指數(shù)型變幅桿放大換能器振幅；對稱式超聲波焊接頭抵消彎曲力矩，使受力更加均勻；對變幅桿以及焊接頭進(jìn)行聲固耦合分析，驗證了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。