vm超聲波金屬焊頭的熱處理工藝研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。vm超聲波金屬焊頭的熱處理工藝研究超聲波金屬焊頭的熱處理工藝研究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，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度與較好強韌的配合。本文首先簡單介紹了超聲波金屬接頭的基本情況和評價優(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 present

2、, ultrasonic metal welding technology for its environmental protection, energy saving, easy to operate, and other prominent advantages, widely appreciated by people whose applications are developed in many fields. However, due to the ultrasonic tool head in a high frequency alternating load conditio

3、ns, it requires the welding head to have good toughness and high fatigue strength of the fit. This paper first introduces the basic situation and evaluate the merits of the arguments ultrasonic metal joints. Second, the case illustrates the basic ultrasonic heat treatment. Finally the heat treatment

4、 of heat treatment.Keywords: welding head; heat treatment; ultrasound; process目 錄摘要1引言31 超聲波焊頭41.1 焊頭模具材料41.1.1 鋁鎂合金41.1.2 鈦合金41.1.3 進口的硬質(zhì)合金鋼41.2 超聲波焊頭振幅參數(shù)41.3 超聲波焊頭頻率參數(shù)41.4 焊頭節(jié)點52 預(yù)熱工藝53 熱處理方法54 焊接方法及工藝5結(jié) 語6致謝7參考文獻(xiàn)7引言超聲波的金屬焊接作為一種特種的連接技術(shù)，從1950年美國人發(fā)明這項技術(shù)來，已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域上取得廣泛應(yīng)用。同時，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、

5、航空航天與核能工業(yè)、食品的包裝盒、高級的零件密封技術(shù)等方面都有著非常廣泛應(yīng)用，加之環(huán)保。節(jié)能、操作方便一些突出的優(yōu)點， 對我國建設(shè)節(jié)約型、友好型現(xiàn)代化的社會，超聲波的金屬焊接技術(shù)將發(fā)揮非常大促進的作用。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、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

6、壽命、疲勞強度的最主要因素。合理的熱處理方式會獲得優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)，從而可以有效地提高金屬材料零部件的疲勞壽命和疲勞強度。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度和較好的強韌配合。為了進行對比研究, 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的系統(tǒng)與焊頭制造，材料具有極高機械屈服的強度，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

7、續(xù)的發(fā)振機種，其軔性高，熱傳導(dǎo)的性能好，硬度也較高，成本則比鎂鋁合金要高，但較鎂鋁合金耐用且耐磨。 1.1.3 進口的硬質(zhì)合金鋼 進口的合金料，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，對超音波的機械損耗也較高，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) 振幅對需焊接材料來講是一個關(guān)鍵的參數(shù)，就相當(dāng)于鉻鐵溫度，若溫度達(dá)不到就會導(dǎo)致熔接不上的，溫度過高則會將原材料燒焦或是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞而強度就會變差。換能器的不同，超聲波的換能器輸出振幅就會有所不同，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

8、幅是1020m，而工作的振幅一般是30m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) 超聲波的焊接機一般都有一個中心的頻率，如20KHz、40 KHz等，焊接機工作的頻率主要是由換能器、變幅桿、和焊頭機械的共振頻率來決定的，發(fā)生器頻率根據(jù)機械的共振頻率進行調(diào)整以達(dá)到一致，將焊頭工作于諧振的狀態(tài)，每一個部份都要設(shè)計成為一個半波長諧振體。發(fā)生器與機械共振的頻率都有一個諧振的工作范圍，例如一般是設(shè)定為±0.5 KHz，在這個范圍

9、里焊接機是基本上都能正常的工作.我們制作出的每一個焊頭，都會對諧振的頻率進行調(diào)整，是要求做到諧振的頻率和設(shè)計的頻率誤差要小于0.1KHZ的，例如20KHz的焊頭。 1.4 焊頭節(jié)點 焊頭與變幅桿均是被設(shè)計成一個工作的頻率半波長的諧振體，在工作的狀態(tài)下，兩個端面振幅最大，應(yīng)力則最小，就相當(dāng)于中間的位置節(jié)點的振幅是零，應(yīng)力就最大。節(jié)點的位置一般是設(shè)計成固定位，但是通常固定位進行設(shè)計時厚度需大于3mm的，或是凹槽固定，因此固定位并非一定是零振幅的，這樣會引致一些叫聲與一部分能量的損失，對叫聲通常是用橡膠圈同其它的部件進行隔離，或是采用隔聲的材料進行屏蔽等，能量的損失在設(shè)計的振幅參數(shù)時是要予以考慮的。

10、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800500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，會有顯著的危險。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540MPa新管材用在焊接的時候必須要采取預(yù)熱的措施，焊接線的能量qIU/，焊接的速度越高，q值就越小，這一點在用纖部焊道時特別的重要。用纖維素型的焊條進行焊接時，焊接的速度是用堿性的焊條焊接時2倍，并因為焊縫的金屬中氫的含量增加而增大。預(yù)熱可以促使氫進行擴散，有時候預(yù)熱也需要視焊接的方法而定的，埋弧的自動焊用大線能量冷卻的速度就足夠低，

11、不推薦進行預(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行加熱時，必須把接口和加熱器一起使用石棉4050mm，以焊縫做為中心，兩個邊各400mm，熱處理的時候應(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。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是根焊適應(yīng)性強，速度較快，操作的要領(lǐng)也易掌握，射線探傷的合格率較高，

12、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，對管子對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）藥芯的焊絲半自動焊，二氧化碳的氣體保護焊有著其獨特優(yōu)越性，成本僅是手工電弧焊50%，所以日益廣泛的使用，但因為其允許施焊環(huán)境的風(fēng)速不大于2m/s，不適宜野外的現(xiàn)場作業(yè)。后來就研制出管狀的焊絲，內(nèi)部是填灌焊藥，稱做藥芯焊絲，焊接的時候不必使用保護氣體進行保護，利用管狀的焊絲中所含合金的元素與焊藥于冶金

13、的過程中來保護熔池，清除從空氣進入到熔池內(nèi)氧與氮不良的影響，進而獲得合格的焊縫。自保護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，一般是可在四級的風(fēng)下施焊，因為不帶CO2的供氣管，焊炬也較輕便。CO2的氣體保護焊生產(chǎn)效率較高、熔深大、飛濺小優(yōu)點，自保護的藥芯焊也均具備。生產(chǎn)的成本也只是手工電弧焊一半。自保護的藥芯焊缺點是焊接的時候煙塵量較大，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引進到自保護半自動的焊接設(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，在以后庫一鄯線、鄯一烏線、蘇丹工程與澀一寧一

14、蘭、蘭一成-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，能夠達(dá)95以上。優(yōu)點則是連續(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，尤其死適在野外進行施工，為目前管線焊接的施工主要的方法。 （3）自動焊于西氣東輸?shù)墓こ讨?，全自動的氣體保護焊工藝使用已日趨的成熟。CO2氣體的保護短路過渡焊以其低電壓、小電流、細(xì)直徑實心的焊絲、短路的過渡為主要的特點，向下焊的時候熔池的體積較小、能夠?qū)崿F(xiàn)全位置的焊接。結(jié) 語超聲波焊接在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，包括鋰電池極耳的焊接、太陽能電池組件

15、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，一般國外產(chǎn)品的壽命是國內(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狀態(tài)下, 裂紋擴展速率非?？?。因此一旦工具頭內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋, 便很快失穩(wěn)擴展導(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, 要延長其使用壽命,必須盡量減少微裂紋的產(chǎn)生和降低裂紋擴展速率,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)重點研究在超聲振動條件下, 具有怎樣的

16、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)展對疲勞的設(shè)計提出了越來越高要求，同時，從認(rèn)識角度來將，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驗與理論的方面有更進一步工作。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)了近一年時間，在這個期間我收獲了許多，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)識以及大師級智慧

17、深深的吸引到了我，讓我也為之折服。在他熱情的鼓勵和嚴(yán)格的要求下，讓我在完成這篇論文研究的課題同時，也把四年來所學(xué)到知識的系統(tǒng)都縝密的梳理了一遍，在加深了理解和認(rèn)識的同時，自己知識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，我也要感謝我的母校，能給我學(xué)習(xí)的機會，不但豐富了我自身理論的知識，也為本論文的撰寫打下堅實的基礎(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

18、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）M 北京： 機械工業(yè)出版社， 1982.2王宋. 超聲波金屬焊接機理及實驗裝置研究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理研究J焊管，2005，28（5）：2831.4張青來，王粒粒，胡永學(xué)表面狀態(tài)對AZ31B 鎂合金薄帶超聲波焊接性的影響J焊接學(xué)報 2007，28（7）：912.5 張銥洪，馬傳藝，楊圣文，等鋁片銅管太陽能集熱板超聲波焊接機理研究J焊接技術(shù)，2007，36（5）：1418.6王軍鋁片-銅管太陽能集熱板超聲波焊接顯微試驗J.焊接技術(shù)，200

19、9，38（3）：9-12.7李亞江.特種連接技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，20078倪泉,陳玉華. 超聲波焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀J. 現(xiàn)代焊接,2011,10:9-11. 9王宋,劉傳紹. 金屬的超聲波焊接J. 現(xiàn)代焊接,2008,09:22-24. 10涂益民,邱然鋒,石紅信,于華,張柯柯. 輕金屬材料超聲波焊接的研究現(xiàn)狀J. 輕合金加工技術(shù),2011,01:16-20. 11弗蘭茨·阿貝爾,孟憲知. 塑料超聲波焊接J. 焊接,1999,06:30-33. 12朱政強,吳宗輝,范靜輝. 超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望J. 焊接技術(shù),2010,12:1-6. 13王宋. 超聲波金屬焊接機理

20、及實驗裝置研究D.河南理工大學(xué),2009. 14趙輝. 金屬焊接技術(shù)及其應(yīng)用探討J. 電子制作,2013,14:191.15 周承恩，謝季佳，洪友士，超高周疲勞研究現(xiàn)狀，機械強度，2004，26(5): 526533.16 王清遠(yuǎn). 超聲加速疲勞實驗研究. 四川大學(xué)學(xué)報，2002，34(3): 611.17 Stanzl-tschegg, S E. Fracture mechanisms and fracture mechanics at ultrasonic frequencies J. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and St

21、ructures, 1999, 22: 567579.18 Zettl B, Mayer H, Stanzl-tschegg S E. Fatigue properties of Al-1Mg-0.6Si foam at low and ultrasonic frequencies J. International Journal of Fatigue, 2001, 23: 565573.19 Stanzl-tschegg S E, Mayer H R, Tschegg E K. High frequency method for torsion fatigue testing J. Ultr

22、asonic,1993, 31: 275280.20 Ishii K, Ebara R, et al. Ultrasonic fatigue behavior of Ti-6Al-4V alloy J. J Soc Mat Sci Japan, 1993, 42:12181223.21 Danninger H, Spoljaric D, Weiss B, et al. High cycle fatigue behavior of Mo alloyed sintered steel J.Zeitschrift Fuer Metallkunde, 1998, 89: 135141.22 W. P.

23、 Mason, Piezoelectric Crystals and Their Applications, Van Nostrand, New York USA, 1950, 61.23 T.E.MATIKAS. A high-cycle fatigue apparatus at 20 KHz for low-cycle fatigue/high-cycle fatigue interactiontesting. Greek Atomic Energy Commission, Atbens, Greece. Received in final form 6 April 2001.24Umezawa O, Nagai K.Deformation structure and subsurface fatigue