论文部分内容阅读
[摘 要]变幅杆是超声波焊接加工中的重要组成部件，其作用是把机械振动的质点位移或速度放大，起到聚能器的作用。变幅杆的能量传导效率一方面取决于变幅杆的设计方式，另一方面决定于材料的表面状态。本文对TC4钛合金变幅杆两种不同加工工艺得到的表面状态，对比其使用寿命。
[关键词]钛合金，超声变幅杆，表面状态，使用寿命
中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0100-01
超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高，清洁无污染等的优点，在塑料加工领域中得到了广泛应用[1-2]。其工作原理是[3-4]：超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，焊区即两个焊接的交界面处声阻大，会产生局部高温。由于塑料导热性差，热量不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，在一定压力下融合成一体。超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。在压力和焊接時间一定的条件下，超声波塑料焊接质量的好坏取决于换能器焊头的振幅，振幅由换能器和变幅杆决定。
徐中等人[5]对超声变幅杆材质对焊接强度的影响进行了研究，发现钛合金变幅杆的节点温升最小，焊接强度最高，在铝合金、合金钢和不锈钢材质的变幅杆中性能最优异。在塑料焊接过程中，变幅杆在换能器的高频振动下每秒伸缩频率达到2万次左右，所以变幅杆在服役过程中承受着高频循环负载，在负载节点处会发生疲劳损坏与热损伤[6-8]。目前很少有对比相同材质，不同表面形态的钛合金变幅杆的寿命对比情况，所以本文对TC4钛合金变幅杆进行两种的不同的加工工艺来得到不同的表面形态，比较其使用寿命的差异。
1.试验设计
1.1 试验设计
图1所示的TC4钛合金，是经过两次热轧工艺形成的棒材，其化学成分见表1.
表1 TC4 钛合金的化学成分（质量百分数，%）
Al V Fe C N O H
6.21 4.21 0.15 0.01 0.01 0.11 0.003
TC4钛合金的物理特性如下：密度为4.43 g/cm3，杨氏模量为114 GPa， 泊松比0.34，声速在该材料的速度为 5073 m/s，半波长为 128 mm。
图2是两种加工工艺得到的TC4变幅杆的宏观形貌，表面粗糙的是采用电火花线切割的加工方式，表面留有走丝的痕迹；表面光滑的变幅杆是采用车床机加工的方式。用这两种不同加工方式得到的变幅杆对比其使用寿命，焊接频率为20 kHz， 焊接时间 1 s，保压时间 1 s，压力 0.5 MPa 。
（粗糙的表面为线切割，光滑的表面为车床机加工）
2.分析与讨论
两种表面状态的TC4钛合金变幅杆在相同的使用条件下，用线切割加工的钛合金变幅杆的使用寿命不到10天，就在样品表面发现裂纹；车床加工的变幅杆样品使用寿命50多天，两者使用寿命相差5倍。使用寿命的差异来源于表面状态，在变幅杆的使用过程中，受到高频的循环载荷作用，表面粗糙的样品容易在表面形成应力集中，从而形成早期的裂纹萌生于扩展。在表面相对光滑的样品，其形成裂纹萌生的时间要比粗糙样品的长很多。根据paris裂纹扩展规律，疲劳裂纹在早期萌生和扩展阶段占据大部分的寿命时间。
图3是表面粗糙钛合金变幅杆样品的低倍和高倍下的形貌观察，裂纹从表面萌生，在基体内部穿晶扩展。裂纹的萌生与扩展降低了变幅杆作为聚能器的作用，效率降低，样品也随即失效。所以要提高变幅杆的使用寿命，可以通过不同热处理工艺来获得不同的金相组织，延长裂纹萌生的时间与扩展速度，从而提高变幅杆的使用寿命。
3.结论
通过不同表面状态的TC4钛合金变幅杆的使用寿命对比，可以得出以下结论：
1）表面光滑的钛合金变幅杆比表面粗糙的变幅杆的使用寿命更久。
2）粗糙表面钛合金变幅杆的疲劳裂纹萌生于样品表面，穿晶扩展从而引起失效。
参考文献：
[1] 陶永亮. 塑料焊接加工几种方法[J]. 塑料制造， 2011（12）
[2] 张胜玉. 塑料超声波焊接技术（上）[J]. 塑料包装. 2015（1）
[3] 陆晓燕. 超声波塑料焊接机的振动系统设计[J] 装备制造技术，2010（4）
[4] 陈源，丁斌. 贯流风叶超声波焊接机的工艺优化[J] 中国包装工业 2015（1）
[5]徐中，黄禹，陈志，丁斌. 超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析[J]. 橡塑技术与装备. 2016（42）
[6]谨亚辉. 超声波变幅杆优化设计及加工原理[M]，太原理工大学， 2010
[7]贺西平，高洁.超声变幅杆设计方法研究[J]，声学技术，2006（25）
[关键词]钛合金，超声变幅杆，表面状态，使用寿命
中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0100-01
超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高，清洁无污染等的优点，在塑料加工领域中得到了广泛应用[1-2]。其工作原理是[3-4]：超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，焊区即两个焊接的交界面处声阻大，会产生局部高温。由于塑料导热性差，热量不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，在一定压力下融合成一体。超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。在压力和焊接時间一定的条件下，超声波塑料焊接质量的好坏取决于换能器焊头的振幅，振幅由换能器和变幅杆决定。
徐中等人[5]对超声变幅杆材质对焊接强度的影响进行了研究，发现钛合金变幅杆的节点温升最小，焊接强度最高，在铝合金、合金钢和不锈钢材质的变幅杆中性能最优异。在塑料焊接过程中，变幅杆在换能器的高频振动下每秒伸缩频率达到2万次左右，所以变幅杆在服役过程中承受着高频循环负载，在负载节点处会发生疲劳损坏与热损伤[6-8]。目前很少有对比相同材质，不同表面形态的钛合金变幅杆的寿命对比情况，所以本文对TC4钛合金变幅杆进行两种的不同的加工工艺来得到不同的表面形态，比较其使用寿命的差异。
1.试验设计
1.1 试验设计
图1所示的TC4钛合金，是经过两次热轧工艺形成的棒材，其化学成分见表1.
表1 TC4 钛合金的化学成分（质量百分数，%）
Al V Fe C N O H
6.21 4.21 0.15 0.01 0.01 0.11 0.003
TC4钛合金的物理特性如下：密度为4.43 g/cm3，杨氏模量为114 GPa， 泊松比0.34，声速在该材料的速度为 5073 m/s，半波长为 128 mm。
图2是两种加工工艺得到的TC4变幅杆的宏观形貌，表面粗糙的是采用电火花线切割的加工方式，表面留有走丝的痕迹；表面光滑的变幅杆是采用车床机加工的方式。用这两种不同加工方式得到的变幅杆对比其使用寿命，焊接频率为20 kHz， 焊接时间 1 s，保压时间 1 s，压力 0.5 MPa 。
（粗糙的表面为线切割，光滑的表面为车床机加工）
2.分析与讨论
两种表面状态的TC4钛合金变幅杆在相同的使用条件下，用线切割加工的钛合金变幅杆的使用寿命不到10天，就在样品表面发现裂纹；车床加工的变幅杆样品使用寿命50多天，两者使用寿命相差5倍。使用寿命的差异来源于表面状态，在变幅杆的使用过程中，受到高频的循环载荷作用，表面粗糙的样品容易在表面形成应力集中，从而形成早期的裂纹萌生于扩展。在表面相对光滑的样品，其形成裂纹萌生的时间要比粗糙样品的长很多。根据paris裂纹扩展规律，疲劳裂纹在早期萌生和扩展阶段占据大部分的寿命时间。
图3是表面粗糙钛合金变幅杆样品的低倍和高倍下的形貌观察，裂纹从表面萌生，在基体内部穿晶扩展。裂纹的萌生与扩展降低了变幅杆作为聚能器的作用，效率降低，样品也随即失效。所以要提高变幅杆的使用寿命，可以通过不同热处理工艺来获得不同的金相组织，延长裂纹萌生的时间与扩展速度，从而提高变幅杆的使用寿命。
3.结论
通过不同表面状态的TC4钛合金变幅杆的使用寿命对比，可以得出以下结论：
1）表面光滑的钛合金变幅杆比表面粗糙的变幅杆的使用寿命更久。
2）粗糙表面钛合金变幅杆的疲劳裂纹萌生于样品表面，穿晶扩展从而引起失效。
参考文献：
[1] 陶永亮. 塑料焊接加工几种方法[J]. 塑料制造， 2011（12）
[2] 张胜玉. 塑料超声波焊接技术（上）[J]. 塑料包装. 2015（1）
[3] 陆晓燕. 超声波塑料焊接机的振动系统设计[J] 装备制造技术，2010（4）
[4] 陈源，丁斌. 贯流风叶超声波焊接机的工艺优化[J] 中国包装工业 2015（1）
[5]徐中，黄禹，陈志，丁斌. 超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析[J]. 橡塑技术与装备. 2016（42）
[6]谨亚辉. 超声波变幅杆优化设计及加工原理[M]，太原理工大学， 2010
[7]贺西平，高洁.超声变幅杆设计方法研究[J]，声学技术，2006（25）