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如何選擇超聲波焊接參數規范
超聲波焊接的主要工藝參數是:振動頻率f振幅A、靜壓力P以及焊接時間t。振動頻率f在工藝上有兩重意義,即諧振頻率的數值確定以及焊接時諧振頻率的精度。
諧振頻率的選擇通常以焊件的厚度及物理性能為依據。在焊接薄件時,宜選取高的諧振頻率,這是因為在維持聲功率相等的前提下,提高振動頻率即可相應降低需用的振幅,而降低振幅即可減輕薄件因交變應力而可能引起的疲勞破壞。所以通常小功率超聲波焊機(100W 以下)多選用25kHz ~80kHz的諧振頻率,功率愈小,選用頻率愈高。
由于隨著頻率的提高,高頻振動能量在聲學系統中的損耗將愈顯增大,因此大功率焊機一般都選擇16kHz~20kHz較低的諧振頻率。
一般地說,對硬度及屈服極限都比較低的材料,其適用的頻率范圍也選在低頻范圍之內。
諧振頻率的精度是保證焊點質量及其穩定性的重要因素。由于超聲波焊接過程中機械負荷的多變性,因而會出現隨機的失諧現象,其結果導致接頭強度的降低和不穩定。
為了保證聲學系統的諧振,除了采用頻率自動跟蹤式發生器外,還應進一步改善聲學系統的設計。例如彎曲振動系統的諧振頻率精度就比縱向振動系統來得高。
振幅A是超聲波焊接中最重要的規范參數,其大小將確定摩擦功的數值,材料表面氧化膜的驅除條件,塑性流動的狀態以及結合面的加熱溫度等等。
超聲波焊機中的振幅A,約在5um ~ 25um的范圍內,選用的數值決定于材料的厚度和性質。當換能器材料和聚能器結構一旦被確定后,振幅的改變往往是通過調節發生器的輸出電參數來達到。因此最大振幅值的獲得取決于所選換能器的材料以及聚能器的放大系數K。
振幅的選擇應與其他工藝參數統籌考慮,例如采用大的振幅就可縮短焊接時間t,因此這也是提高生產率的一個手段。
靜壓力P用來將超聲振動傳遞到工件,并促使形成接頭區的塑性流動層。靜壓力P過低,上聲極與工件之間的表面滑動損耗幾乎占去了全部的振動能量。工件實際上并不發生振動,當然不可能形成連接。
靜壓力P過大也是不合理的,因為在這種情況下,振幅值會隨負載增大而減小,并因材料壓潰造成截面削弱而降低焊點的強度。
由于在較大壓力下能通過較短的時間達到焊接所需的最高強度及塑性流動,因此也可以看成是提高超聲波焊接生產率的另一個手段。
焊接時間對焊點強度的影響有類似的規律。為了形成焊點所必須的最小時間為t min,小于tmin的焊接時間均因不足以破壞表面氧化膜而無法焊接,接頭強度隨時間延長而迅速提高,并趨向定值。當焊接時間超過最大值 t
max時,一方面由于焊件受熱加劇,聲極陷入工件,使焊點截面削弱,從而降低了抗剪強度。同時由于振動時間過長,可能引起接頭內部的疲勞裂紋,或在聲極與工件接觸區周界上的疲勞裂紋。
焊接時間t的選擇,隨材料性質、厚度及其他工藝參數而定。當壓力P、振幅A增加及工件厚度減小時,時間:應取較低的數值。
目前選用的焊接時間不超過3s,在大多數生產應用中,焊接時間選取在1.5s以內。
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