超声波金属焊头的热处理工艺研究.doc

超声波金属焊头的热处理工艺研究摘要当前，超声波的金属焊接技术以其环保、节能、操作方便等突出的优点，受到人们广泛的重视，其应用在也在众多的领域得到发展。但由于超声的工具头在高频交变的载荷条件下工作,所以要求焊头要具有高疲劳强度与较好强韧的配合。本文首先简单介绍了超声波金属接头的基本情况和评价优劣的参数。其次说明了超声波热处理的基本情况。最后指出了热处理的热处理的方法。关键词：焊头； 热处理； 超声波； 工艺AbstractAt present, 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 conditions, 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 of heat treatment.Keywords: welding head; heat treatment; ultrasound; process目 录摘要1引言31 超声波焊头41.1 焊头模具材料41.1.1 铝镁合金41.1.2 钛合金41.1.3 进口的硬质合金钢41.2 超声波焊头振幅参数41.3 超声波焊头频率参数51.4 焊头节点52 预热工艺63 热处理方法64 焊接方法及工艺6结 语7致谢8参考文献9引言超声波的金属焊接作为一种特种的连接技术，从1950年美国人发明这项技术来，已经在工业领域上取得广泛应用。同时，超声波的金属焊接也在电子工业、电器的制造、新材料制备、航空航天与核能工业、食品的包装盒、高级的零件密封技术等方面都有着非常广泛应用，加之环保。节能、操作方便一些突出的优点， 对我国建设节约型、友好型现代化的社会，超声波的金属焊接技术将发挥非常大促进的作用。超声波焊头是为所有的超声波发射端通称，是超声波焊接的设备中不可缺少部分。其作用是把换能器产生超声波耦合于被加工的物体中所以要传递超声波，焊头一定要工作于谐振的状态，即是它固有的谐振频率是要和换能器相匹配的其次振幅也要均匀，焊头的端面形状也要适应被焊接的工件形状。 金属材料的疲劳失效是最主要的一种失效形式，其原因是多方面的。除了原材料、零件设计、选材等因素之外，金属材料的热处理是影响金属零部件疲劳寿命、疲劳强度的最主要因素。合理的热处理方式会获得优化的微观结构，从而可以有效地提高金属材料零部件的疲劳寿命和疲劳强度。由于超声工具头工作在高频交变载荷条件下,因此要求焊头具有高的疲劳强度和较好的强韧配合。为了进行对比研究, 需要制定了不同的热处理工艺方案, 目的是研究不同的微观组织、晶粒大小以及表面处理对超声疲劳性能的影响。1 超声波焊头1.1 焊头模具材料 1.1.1 铝镁合金 铝镁模具主要是用于振动的系统与焊头制造，材料具有极高机械屈服的强度，硬度较高，热传导性能好，是理想超声波的模具制造的材料；但铝制本身是不耐磨的，只是适合一般的焊接要求。 1.1.2 钛合金 钛合金做出的模具是用于连续的发振机种，其轫性高，热传导的性能好，硬度也较高，成本则比镁铝合金要高，但较镁铝合金耐用且耐磨。 1.1.3 进口的硬质合金钢 进口的合金料，其硬度极其的高，主要是用于连续的焊接或要求耐磨性超高的焊接，热传导性能低，对超音波的机械损耗也较高，耐磨，使用的成本较低，但制作的工艺也是比较复杂的。 1.2 超声波焊头振幅参数 振幅对需焊接材料来讲是一个关键的参数，就相当于铬铁温度，若温度达不到就会导致熔接不上的，温度过高则会将原材料烧焦或是导致结构的破坏而强度就会变差。换能器的不同，超声波的换能器输出振幅就会有所不同，经适配不同变比变幅杆与焊头，能够校正的焊头工作的振幅来符合要求，通常换能器输出振幅是1020m，而工作的振幅一般是30m左右，变幅杆与焊头变比同变幅杆与焊头形状，前后的面积比等一些因素相关，形状来讲类似指数型的变幅、函数型的变幅、阶梯型的变幅等，对变比的影响非常的大，前后的面积比和总变比是成正比的。 1.3 超声波焊头频率参数 超声波的焊接机一般都有一个中心的频率，如20KHz、40 KHz等，焊接机工作的频率主要是由换能器、变幅杆、和焊头机械的共振频率来决定的，发生器频率根据机械的共振频率进行调整以达到一致，将焊头工作于谐振的状态，每一个部份都要设计成为一个半波长谐振体。发生器与机械共振的频率都有一个谐振的工作范围，例如一般是设定为0.5 KHz，在这个范围里焊接机是基本上都能正常的工作.我们制作出的每一个焊头，都会对谐振的频率进行调整，是要求做到谐振的频率和设计的频率误差要小于0.1KHZ的，例如20KHz的焊头。 1.4 焊头节点 焊头与变幅杆均是被设计成一个工作的频率半波长的谐振体，在工作的状态下，两个端面振幅最大，应力则最小，就相当于中间的位置节点的振幅是零，应力就最大。节点的位置一般是设计成固定位，但是通常固定位进行设计时厚度需大于3mm的，或是凹槽固定，因此固定位并非一定是零振幅的，这样会引致一些叫声与一部分能量的损失，对叫声通常是用橡胶圈同其它的部件进行隔离，或是采用隔声的材料进行屏蔽等，能量的损失在设计的振幅参数时是要予以考虑的。2 预热工艺 预热作为最重要工艺的操作组织与性能在很大的程度上都决定于工件在800500温度的区间冷却的速度。当碳量大于或是等于0.45低合金钢时，会有显著的危险。冷却的速度和管壁的厚度、周围的环境温度、风力的大小、焊接熔池的体积与温度及焊接的线能量有关系。对540MPa新管材用在焊接的时候必须要采取预热的措施，焊接线的能量qIU/，焊接的速度越高，q值就越小，这一点在用纤部焊道时特别的重要。用纤维素型的焊条进行焊接时，焊接的速度是用碱性的焊条焊接时2倍，并因为焊缝的金属中氢的含量增加而增大。预热可以促使氢进行扩散，有时候预热也需要视焊接的方法而定的，埋弧的自动焊用大线能量冷却的速度就足够低，不推荐进行预热的。3 热处理方法 热处理应该尽可能的在焊后立刻就进行，热处理前应禁止经受冲击的载荷，热处理总的次数不要超过3次，否则接头报TO型的电炉，用NiCr-NiAl热电偶来控制温度。当用感应加热器与柔性指状的加热器进行加热时，必须把接口和加热器一起使用石棉4050mm，以焊缝做为中心，两个边各400mm，热处理的时候应采取措施来防止变形。经常需在没有任何的仪器与特别的测温笔情况下来用松木刨花或是肥皂，接触的加热工件，看刨花或是肥皂变色，判别金属的温度。4 焊接方法及工艺 （1）纤维素型的焊条向下的电弧焊该工艺显著的特点是根焊适应性强，速度较快，操作的要领也易掌握，射线探伤的合格率较高，普遍是用于混合型的焊接工艺：有较大熔透的能力与优异填充间隙的性能，对管子对口间隙的要求不很严格，焊缝的背面成形较好，气孔的敏感性小，容易获得到高质量焊缝。但由焊条熔敷的金属扩散的氢含量较高，焊接应该注意预热的温度与道间温度控制以防止冷裂纹产生。这个工艺为目前管线的主线路中采用主要的根焊方法。 （2）药芯的焊丝半自动焊，二氧化碳的气体保护焊有着其独特优越性，成本仅是手工电弧焊50%，所以日益广泛的使用，但因为其允许施焊环境的风速不大于2m/s，不适宜野外的现场作业。后来就研制出管状的焊丝，内部是填灌焊药，称做药芯焊丝，焊接的时候不必使用保护气体进行保护，利用管状的焊丝中所含合金的元素与焊药于冶金的过程中来保护熔池，清除从空气进入到熔池内氧与氮不良的影响，进而获得合格的焊缝。自保护的焊药芯焊丝熔敷的额效率比焊条电弧焊高到24倍，野外的施焊灵活性与抗风能力要明显优CO2焊，一般是可在四级的风下施焊，因为不带CO2的供气管，焊炬也较轻便。CO2的气体保护焊生产效率较高、熔深大、飞溅小优点，自保护的药芯焊也均具备。生产的成本也只是手工电弧焊一半。自保护的药芯焊缺点是焊接的时候烟尘量较大，所以一般多是用于露天来施工。上世纪的90年代初，中油的管道局从美国引进到自保护半自动的焊接设备与工艺。经过培训，该工艺在1995年首次于突尼斯的管线工程中得到应用，在以后库一鄯线、鄯一乌线、苏丹工程与涩一宁一兰、兰一成-渝等一些管线的工程中为主要焊接的方法。其焊接的合格率按照焊缝口统计，能够达95以上。优点则是连续的送丝、生产的效率高、焊接的质量好、尤其是自保护药芯的焊丝焊接工艺的性能优良，电弧较稳定。成形也美观，能够实现全位置的(向下)焊接，抗风的能力较强，尤其死适在野外进行施工，为目前管线焊接的施工主要的方法。 （3）自动焊于西气东输的工程中，全自动的气体保护焊工艺使用已日趋的成熟。CO2气体的保护短路过渡焊以其低电压、小电流、细直径实心的焊丝、短路的过渡为主要的特点，向下焊的时候熔池的体积较小、能够实现全位置的焊接。结 语超声波焊接在工业上的应用非常广泛，包括锂电池极耳的焊接、太阳能电池组件的焊带的焊接等等。超声波焊接使用的金属焊头的寿命差异非常大，一般国外产品的寿命是国内同类产品寿命的23倍。根据我们的初步分析，焊头的微观结构的差异是造成超声波焊头寿命差异的最主要因素。因此，研究超声波焊头的热处理工艺，探索合理的微观组织结构，具有重要的意义。在超声焊接中工件在超声振动状态下, 裂纹扩展速率非常快。因此一旦工具头内部出现微裂纹, 便很快失稳扩展导致工具头失效。由于工具头在焊接过程中, 承受的振幅最大, 要延长其使用寿命,必须尽量减少微裂纹的产生和降低裂纹扩展速率,以提高其超声疲劳性能。因此, 在钢内夹杂物不超标的情况下, 提高工具头使用寿命应重点研究在超声振动条件下, 具有怎样的微观组织才能使其超声疲劳性能最佳。而不同热处理工艺影响着随后的微观组织的变化。工程与技术发展对疲劳的设计提出了越来越高要求，同时，从认识角度来将，需深入的理解材料疲劳本质，这些都要求于超高周疲劳实验与理论的方面有更进一步工作。目前已具备超高周疲劳的研究基本的手段，包括了超声疲劳的方法、高分辨断口的观测工具等，致谢 本论文自最初的选题和构思到现在的全部完成，历经了近一年时间，在这个期间我收获了许多，也得到了许多人热心的帮助。首先，我要非常感谢我的毕业导师，无论是在撰写本论文的期间，还是在我的整个的大学生涯中，都给予我最大的指引和帮助，在我论文的研究过程中，他严格的治学精神和丰富学识以及大师级智慧深深的吸引到了我，让我也为之折服。在他热情的鼓励和严格的要求下，让我在完成这篇论文研究的课题同时，也把四年来所学到知识的系统都缜密的梳理了一遍，在加深了理解和认识的同时，自己知识的体系也变得更加的完善，解决问题的能力和素质也提高到了新的一个层次。他优秀的品德和严谨的作风也给我提供一个优秀榜样，这必将是我在今后的生活和工作中有非常重要指导的意义。其次，我也要感谢我的母校，能给我学习的机会，不但丰富了我自身理论的知识，也为本论文的撰写打下坚实的基础。最后还要特别感谢我同窗的好友在我撰写论文的期间对我的大力支持最后，感谢参考文献所有的作者，我的家人和我的朋友们，使我在学习的期间能够给予无微不至的关心与帮助，使我能够非常顺利地完成学业以及那些曾经帮助过我的人们。参考文献1沈世瑶焊接方法及设备（第三分册）M 北京： 机械工业出版社， 1982.2王宋. 超声波金属焊接机理及实验装置研究D.河南郑州：河南理工大学，20093杨圣文，汤勇铜片-铜管的超声波焊接机理研究J焊管，2005，28（5）：2831.4张青来，王粒粒，胡永学表面状态对AZ31B 镁合金薄带超声波焊接性的影响J焊接学报 2007，28（7）：912.5 张铱洪，马传艺，杨圣文，等铝片铜管太阳能集热板超声波焊接机理研究J焊接技术，2007，36（5）：1418.6王军铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接显微试验J.焊接技术，2009，38（3）：9-12.7李亚江.特种连接技术M.北京：机械工业出版社，20078倪泉,陈玉华. 超声波焊技术的研究现状J. 现代焊接,2011,10:9-11. 9王宋,刘传绍. 金属的超声波焊接J. 现代焊接,2008,09:22-24. 10涂益民,邱然锋,石红信,于华,张柯柯. 轻金属材料超声波焊接的研究现状J. 轻合金加工技术,2011,01:16-20. 11弗兰茨阿贝尔,孟宪知. 塑料超声波焊接J. 焊接,1999,06:30-33. 12朱政强,吴宗辉,范静辉. 超声波金属焊接的研究现状与展望J. 焊接技术,2010,12:1-6. 13王宋. 超声波金属焊接机理及实验装置研究D.河南理工大学,2009. 14赵辉. 金属焊接技术及其应用探讨J. 电子制作,2013,14:191.15 周承恩，谢季佳，洪友士，超高周疲劳研究现状，机械强度，2004，26(5): 526533.16 王清远. 超声加速疲劳实验研究. 四川大学学报，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 Structures, 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. Ultrasonic,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. 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 crack