超声波变幅杆材质对焊接强度的影响

超声波塑料焊接以其焊接速度快、焊接质量高的特点，广泛应用于塑料焊接领域，特别是复杂表面的塑料模具焊接。超声波焊接一般由超声波发生器、传感器（换能器）、变幅杆（增幅器）、焊头和配套夹具组成，其中变幅杆主要在超声波焊接加工中发挥能量传递和放大的作用。

超声波的原始振幅一般很小，通常只有几微米，实际加工应用所需的振幅约为几十到几百微米，因此通常需要通过变幅杆放大振幅，变幅杆也可以发挥机械阻抗作用，在传感器和负载之间阻抗匹配，使超声波能量更有效地从传感器传输到待焊接表面。

在焊接加工过程中，变幅杆在传感器的高频振动下每秒伸缩率可达2万次。因此，变幅杆在加工过程中承受着高频循环负载。此外，由于材料的内阻尼因素，其负载节点容易产生损坏和热损伤。变幅杆材质的要求主要是在循环负载下具有良好的声学性能和抗疲劳损伤性能。常用的变幅杆材料包括铝合金、低碳钢、不锈钢和钛合金。

上述材料有其优缺点。例如，虽然钛合金强度高，声学性能好，但价格昂贵；铝合金密度低，声学性能好，但易磨损断裂；合金钢强度高，耐磨，但声学性能相对较差。为了探索不同材料变幅杆对超声焊接焊缝强度的影响，在相同的设计尺寸下，采用上述四种材料制作变幅杆进行实验分析。实验结论将有助于进一步指导实际加工，在不同的加工要求下选择合适的变幅杆材料，提高材料的利用率。

如下图所示，低碳钢变幅杆的焊接强度仅次于钛合金，但其变幅杆的质量远远大于钛合金。与铝合金和钛合金相比，合金钢变幅杆的质量分别是其的3倍和2倍，变幅杆的质量也是焊接加工中必须考虑的因素。在超声焊接加工中，由于传感器的承载能力和焊机的整体重量，变幅杆的重量相对较小。此外，在相同重量的限制下，如铝合金和钛合金，可以制造更大尺寸的变幅杆，因此铝合金和钛合金通常用于大零件的焊接加工。

通过对不同材料变幅杆的超声焊接实验得出以下结论：

（1）在四种材料变幅杆中，铝合金变幅杆节点温升最高，节点温度过高会降低变幅杆的谐振频率，进而影响焊接质量。这种变幅杆不适用于大规模、长期的加工。

（2）钛合金变幅杆的节点温升最小，因为阻尼较小，在谐振频率下比其他材料更稳定。

（3）在合金钢变幅杆中，低碳钢比不锈钢具有更高的工作温度和更高的焊接强度。ABS在塑料样品超声波焊接获得的焊接强度中，钛合金变幅杆焊接获得的焊接强度最高，因为钛合金阻尼小，能量损失小。低碳钢次之，接着是铝合金和不锈钢材质。

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