vm超聲波金屬焊頭的熱處理工藝研究

1、超聲波金屬焊頭的熱處理工藝研究摘要當(dāng)前，超聲波的金屬焊接技術(shù)以其環(huán)保、節(jié)能、操作方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，受 到人們廣泛的重視， 其應(yīng)用在也在眾多的領(lǐng)域得到發(fā)展。 但由于超聲的工具頭在 高頻交變的載荷條件下工作 , 所以要求焊頭要具有高疲勞強(qiáng)度與較好強(qiáng)韌的配 合。本文首先簡(jiǎn)單介紹了超聲波金屬接頭的基本情況和評(píng)價(jià)優(yōu)劣的參數(shù)。 其次說 明了超聲波熱處理的基本情況。最后指出了熱處理的熱處理的方法。關(guān)鍵詞：焊頭； 熱處理； 超聲波； 工藝AbstractAt p rese nt, ultras onic metal weldi ng tech no logy for its en vir onmen tal

2、p rotect ion.en ergy sav ing, easy to op erate, and other prominent adva ntages, widely app reciated by people whose app licatio ns are devel oped in many fields. However, due to the ultras onic tool head in a high freque ncy alter nati ng load con diti on s, it requires the weld ing head to have go

3、od tough ness and high fatigue stre ngth of the fit. This paper first in troduces the basic situati on and evaluate the merits of the argume nts ultras onic metal joi nts. Sec ond, the case illustrates the basic ultras onic heat treatme nt. Fin ally the heat treatme nt of heat treatme nt.Keywords: w

4、eld ing head; heat treatme nt; ultraso und; p rocess摘要 引言超聲波焊頭1.1焊頭模具材料1.1.1鋁鎂合金1.1.2 鈦合金1.1.3進(jìn)口的硬質(zhì)合金鋼1.2超聲波焊頭振幅參數(shù)1.3超聲波焊頭頻率參數(shù)1.4焊頭節(jié)點(diǎn)預(yù)熱工藝熱處理方法焊接方法及工藝致謝 參考文獻(xiàn)引言超聲波的金屬焊接作為一種特種的連接技術(shù)， 從1950年美國(guó)人發(fā)明這項(xiàng)技術(shù) 來，已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域上取得廣泛應(yīng)用。同時(shí)，超聲波的金屬焊接也在電子工業(yè)、 電器的制造、新材料制備、航空航天與核能工業(yè)、食品的包裝盒、高級(jí)的零件密 封技術(shù)等方面都有著非常廣泛應(yīng)用， 加之環(huán)保。節(jié)能、操作方便一些突出

5、的優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)我國(guó)建設(shè)節(jié)約型、 友好型現(xiàn)代化的社會(huì)， 超聲波的金屬焊接技術(shù)將發(fā)揮非常大 促進(jìn)的作用。 超聲波焊頭是為所有的超聲波發(fā)射端通稱， 是超聲波焊接的設(shè)備中 不可缺少部分。 其作用是把換能器產(chǎn)生超聲波耦合于被加工的物體中 所以要傳 遞超聲波， 焊頭一定要工作于諧振的狀態(tài)， 即是它固有的諧振頻率是要和換能器 相匹配的其次振幅也要均勻，焊頭的端面形狀也要適應(yīng)被焊接的工件形狀。金屬材料的疲勞失效是最主要的一種失效形式， 其原因是多方面的。 除了原 材料、零件設(shè)計(jì)、 選材等因素之外， 金屬材料的熱處理是影響金屬零部件疲勞壽 命、疲勞強(qiáng)度的最主要因素。 合理的熱處理方式會(huì)獲得優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)， 從而可

6、 以有效地提高金屬材料零部件的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。 由于超聲工具頭工作在高 頻交變載荷條件下 , 因此要求焊頭具有高的疲勞強(qiáng)度和較好的強(qiáng)韌配合。為了進(jìn) 行對(duì)比研究 , 需要制定了不同的熱處理工藝方案 , 目的是研究不同的微觀組織、 晶粒大小以及表面處理對(duì)超聲疲勞性能的影響。1 超聲波焊頭1.1 焊頭模具材料1.1.1 鋁鎂合金鋁鎂模具主要是用于振動(dòng)的系統(tǒng)與焊頭制造，材料具有極高機(jī)械屈服的強(qiáng) 度，硬度較高，熱傳導(dǎo)性能好，是理想超聲波的模具制造的材料；但鋁制本身是 不耐磨的，只是適合一般的焊接要求。1.1.2 鈦合金鈦合金做出的模具是用于連續(xù)的發(fā)振機(jī)種， 其軔性高， 熱傳導(dǎo)的性能好， 硬 度也較高

7、，成本則比鎂鋁合金要高，但較鎂鋁合金耐用且耐磨。1.1.3 進(jìn)口的硬質(zhì)合金鋼進(jìn)口的合金料，其硬度極其的高， 主要是用于連續(xù)的焊接或要求耐磨性超高 的焊接，熱傳導(dǎo)性能低，對(duì)超音波的機(jī)械損耗也較高，耐磨，使用的成本較低， 但制作的工藝也是比較復(fù)雜的。1.2 超聲波焊頭振幅參數(shù)振幅對(duì)需焊接材料來講是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)， 就相當(dāng)于鉻鐵溫度， 若溫度達(dá)不 到就會(huì)導(dǎo)致熔接不上的， 溫度過高則會(huì)將原材料燒焦或是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞而強(qiáng)度 就會(huì)變差。 換能器的不同， 超聲波的換能器輸出振幅就會(huì)有所不同， 經(jīng)適配不同 變比變幅桿與焊頭， 能夠校正的焊頭工作的振幅來符合要求， 通常換能器輸出振 幅是1020卩m而工作的振幅

8、一般是30卩m左右，變幅桿與焊頭變比同變幅桿 與焊頭形狀， 前后的面積比等一些因素相關(guān)， 形狀來講類似指數(shù)型的變幅、 函數(shù) 型的變幅、 階梯型的變幅等， 對(duì)變比的影響非常的大， 前后的面積比和總變比是 成正比的。1.3 超聲波焊頭頻率參數(shù)超聲波的焊接機(jī)一般都有一個(gè)中心的頻率，如 20KHz 40 KHz等，焊接機(jī)工作的頻率主要是由換能器、 變幅桿、和焊頭機(jī)械的共振頻率來決定的， 發(fā)生器頻 率根據(jù)機(jī)械的共振頻率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到一致， 將焊頭工作于諧振的狀態(tài)， 每一個(gè) 部份都要設(shè)計(jì)成為一個(gè)半波長(zhǎng)諧振體。 發(fā)生器與機(jī)械共振的頻率都有一個(gè)諧振的工作范圍，例如一般是設(shè)定為±0.5 KHz，在這個(gè)

9、范圍里焊接機(jī)是基本上都能正常的工作.我們制作出的每一個(gè)焊頭，都會(huì)對(duì)諧振的頻率進(jìn)行調(diào)整，是要求做到 諧振的頻率和設(shè)計(jì)的頻率誤差要小于 0.1KHZ的，例如20KHz的焊頭。1.4 焊頭節(jié)點(diǎn)焊頭與變幅桿均是被設(shè)計(jì)成一個(gè)工作的頻率半波長(zhǎng)的諧振體，在工作的狀 態(tài)下，兩個(gè)端面振幅最大，應(yīng)力則最小，就相當(dāng)于中間的位置節(jié)點(diǎn)的振幅是零， 應(yīng)力就最大。 節(jié)點(diǎn)的位置一般是設(shè)計(jì)成固定位， 但是通常固定位進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)厚度 需大于3mm勺，或是凹槽固定，因此固定位并非一定是零振幅的， 這樣會(huì)引致一 些叫聲與一部分能量的損失， 對(duì)叫聲通常是用橡膠圈同其它的部件進(jìn)行隔離， 或 是采用隔聲的材料進(jìn)行屏蔽等，能量的損失在設(shè)計(jì)的振

10、幅參數(shù)時(shí)是要予以考慮 的。2 預(yù)熱工藝預(yù)熱作為最重要工藝的操作組織與性能在很大的程度上都決定于工件在800500C溫度的區(qū)間冷卻的速度。當(dāng)碳量大于或是等于0.45低合金鋼時(shí)，會(huì)有顯著的危險(xiǎn)。冷卻的速度和管壁的厚度、周圍的環(huán)境溫度、風(fēng)力的大小、焊接熔池的體積與溫度及焊接的線能量有關(guān)系。對(duì)540MP噺管材用在焊接的時(shí)候必須要采取預(yù)熱的措施，焊接線的能量 q= IU/ U，焊接的速度越高，q值就越小,這一點(diǎn)在用纖部焊道時(shí)特別的重要。 用纖維素型的焊條進(jìn)行焊接時(shí)， 焊接的速度 是用堿性的焊條焊接時(shí) 2 倍，并因?yàn)楹缚p的金屬中氫的含量增加而增大。 預(yù)熱可 以促使氫進(jìn)行擴(kuò)散， 有時(shí)候預(yù)熱也需要視焊接的方法

11、而定的， 埋弧的自動(dòng)焊用大 線能量冷卻的速度就足夠低，不推薦進(jìn)行預(yù)熱的。3 熱處理方法熱處理應(yīng)該盡可能的在焊后立刻就進(jìn)行，熱處理前應(yīng)禁止經(jīng)受沖擊的載荷， 熱處理總的次數(shù)不要超過3次，否則接頭報(bào)TO型的電爐，用NiCr-NiAl熱電偶 來控制溫度。 當(dāng)用感應(yīng)加熱器與柔性指狀的加熱器進(jìn)行加熱時(shí)， 必須把接口和加 熱器一起使用石棉4050mm以焊縫做為中心，兩個(gè)邊各400mm熱處理的時(shí)候應(yīng)采取措施來防止變形。 經(jīng)常需在沒有任何的儀器與特別的測(cè)溫筆情況下來用松 木刨花或是肥皂，接觸的加熱工件，看刨花或是肥皂變色，判別金屬的溫度。速度4 焊接方法及工藝1）纖維素型的焊條向下的電弧焊該工藝顯著的特點(diǎn)是根焊

12、適應(yīng)性強(qiáng)，較快，操作的要領(lǐng)也易掌握， 射線探傷的合格率較高， 普遍是用于混合型的焊接 工藝：有較大熔透的能力與優(yōu)異填充間隙的性能， 對(duì)管子對(duì)口間隙的要求不很嚴(yán) 格，焊縫的背面成形較好，氣孔的敏感性小，容易獲得到高質(zhì)量焊縫。但由焊條 熔敷的金屬擴(kuò)散的氫含量較高， 焊接應(yīng)該注意預(yù)熱的溫度與道間溫度控制 以防 止冷裂紋產(chǎn)生。這個(gè)工藝為目前管線的主線路中采用主要的根焊方法。2）藥芯的焊絲半自動(dòng)焊， 二氧化碳的氣體保護(hù)焊有著其獨(dú)特優(yōu)越性， 成本 僅是手工電弧焊 50%，所以日益廣泛的使用， 但因?yàn)槠湓试S施焊環(huán)境的風(fēng)速不大 于2m/s,不適宜野外的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。后來就研制出管狀的焊絲，內(nèi)部是填灌焊藥, 稱做藥

13、芯焊絲， 焊接的時(shí)候不必使用保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)， 利用管狀的焊絲中所含 合金的元素與焊藥于冶金的過程中來保護(hù)熔池， 清除從空氣進(jìn)入到熔池內(nèi)氧與氮 不良的影響， 進(jìn)而獲得合格的焊縫。 自保護(hù)的焊藥芯焊絲熔敷的額效率比焊條電 弧焊高到24倍，野外的施焊靈活性與抗風(fēng)能力要明顯優(yōu) CO2焊，一般是可在四級(jí)的風(fēng)下施焊，因?yàn)椴粠?CO2的供氣管，焊炬也較輕便。CO2的氣體保護(hù)焊生產(chǎn)效率較高、熔深大、飛濺小優(yōu)點(diǎn)，自保護(hù)的藥芯焊也均具備。生產(chǎn)的成本也 只是手工電弧焊一半。 自保護(hù)的藥芯焊缺點(diǎn)是焊接的時(shí)候煙塵量較大， 所以一般 多是用于露天來施工。上世紀(jì)的 90 年代初，中油的管道局從美國(guó)引進(jìn)到自保護(hù)蘭、蘭一成半

14、自動(dòng)的焊接設(shè)備與工藝。經(jīng)過培訓(xùn)，該工藝在 1995 年首次于突尼斯的管線工 程中得到應(yīng)用，在以后庫(kù)一鄯線、鄯一烏線、蘇丹工程與澀 渝等一些管線的工程中為主要焊接的方法。 其焊接的合格率按照焊縫口統(tǒng)計(jì)， 能 夠達(dá) 95以上。優(yōu)點(diǎn)則是連續(xù)的送絲、生產(chǎn)的效率高、焊接的質(zhì)量好、尤其是自保護(hù)藥芯的焊絲焊接工藝的性能優(yōu)良，電弧較穩(wěn)定。成形也美觀， 能夠?qū)崿F(xiàn)全位置的 （向下）焊接，抗風(fēng)的能力較強(qiáng)，尤其死適在野外進(jìn)行施工， 為目前管線焊接的施工主要的方法。3）自動(dòng)焊于西氣東輸?shù)墓こ讨?，全自?dòng)的氣體保護(hù)焊工藝使用已日趨的成熟。 CO2 氣體的保護(hù)短路過渡焊以其低電壓、小電流、細(xì)直徑實(shí)心的焊絲、短 路的過渡為主要

15、的特點(diǎn)， 向下焊的時(shí)候熔池的體積較小、 能夠?qū)崿F(xiàn)全位置的焊接。結(jié)語(yǔ)超聲波焊接在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛， 包括鋰電池極耳的焊接、 太陽(yáng)能電池 組件的焊帶的焊接等等。 超聲波焊接使用的金屬焊頭的壽命差異非常大， 一般國(guó) 外產(chǎn)品的壽命是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品壽命的 23倍。根據(jù)我們的初步分析，焊頭的微觀結(jié)構(gòu)的差異是造成超聲波焊頭壽命差異的最主要因素。 因此，研究超聲波焊頭的 熱處理工藝，探索合理的微觀組織結(jié)構(gòu)， 具有重要的意義。 在超聲焊接中工件在 超聲振動(dòng)狀態(tài)下 , 裂紋擴(kuò)展速率非?？臁?因此一旦工具頭內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋 , 便很 快失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致工具頭失效。 由于工具頭在焊接過程中 , 承受的振幅最大 , 要延

16、長(zhǎng)其使用壽命 ,必須盡量減少微裂紋的產(chǎn)生和降低裂紋擴(kuò)展速率 , 以提高其超聲 疲勞性能。因此 , 在鋼內(nèi)夾雜物不超標(biāo)的情況下 , 提高工具頭使用壽命應(yīng)重點(diǎn)研 究在超聲振動(dòng)條件下 , 具有怎樣的微觀組織才能使其超聲疲勞性能最佳。 而不同 熱處理工藝影響著隨后的微觀組織的變化。工程與技術(shù)發(fā)展對(duì)疲勞的設(shè)計(jì)提出了越來越高要求， 同時(shí)，從認(rèn)識(shí)角度來將， 需深入的理解材料疲勞本質(zhì)， 這些都要求于超高周疲勞實(shí)驗(yàn)與理論的方面有更進(jìn)步工作。目前已具備超高周疲勞的研究基本的手段，包括了超聲疲勞的方法、 高分辨斷口的觀測(cè)工具等，致謝本論文自最初的選題和構(gòu)思到現(xiàn)在的全部完成， 歷經(jīng)了近一年時(shí)間， 在這個(gè) 期間我收獲了

17、許多，也得到了許多人熱心的幫助。首先，我要非常感謝我的畢業(yè)導(dǎo)師， 無論是在撰寫本論文的期間， 還是在我 的整個(gè)的大學(xué)生涯中， 都給予我最大的指引和幫助， 在我論文的研究過程中， 他 嚴(yán)格的治學(xué)精神和豐富學(xué)識(shí)以及大師級(jí)智慧深深的吸引到了我，讓我也為之折 服。在他熱情的鼓勵(lì)和嚴(yán)格的要求下， 讓我在完成這篇論文研究的課題同時(shí)， 也 把四年來所學(xué)到知識(shí)的系統(tǒng)都縝密的梳理了一遍，在加深了理解和認(rèn)識(shí)的同時(shí)， 自己知識(shí)的體系也變得更加的完善， 解決問題的能力和素質(zhì)也提高到了新的一個(gè) 層次。他優(yōu)秀的品德和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)也給我提供一個(gè)優(yōu)秀榜樣， 這必將是我在今后 的生活和工作中有非常重要指導(dǎo)的意義。 其次，我也要感

18、謝我的母校， 能給我學(xué) 習(xí)的機(jī)會(huì)，不但豐富了我自身理論的知識(shí)，也為本論文的撰寫打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最后還要特別感謝我同窗的好友在我撰寫論文的期間對(duì)我的大力支持最后，感謝參考文獻(xiàn)所有的作者， 我的家人和我的朋友們， 使我在學(xué)習(xí)的期 間能夠給予無微不至的關(guān)心與幫助， 使我能夠非常順利地完成學(xué)業(yè)以及那些曾經(jīng) 幫助過我的人們。參考文獻(xiàn)1 沈世瑤.焊接方法及設(shè)備(第三分冊(cè))MD.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.2 王宋. 超聲波金屬焊接機(jī)理及實(shí)驗(yàn)裝置研究 D. 河南鄭州： 河南理工大學(xué)，20093 楊圣文，湯勇.銅片-銅管的超聲波焊接機(jī)理研究J:.焊管，2005, 28 (5): 2831.4 張青來，王粒

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