超聲波焊接機變幅桿

2022-01-04 10:24

超聲變幅桿，又稱為超聲變速桿、超聲放大桿、超聲聚能器。在超聲波焊接機中，變幅桿也是超聲振動系統(tǒng)中重要的組成部分之一。變幅桿在超聲加工當中的作用主要體現(xiàn)在以下方面：
①放大振幅或者說是聚能作用。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過它任一截面的振動能量是不變的(傳播損耗不計)，由于能量密度正比于振幅的平方，所以截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率(即諧振頻率)和外激振動頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。
②有效傳遞能量。變幅桿在檢測超聲中可以作為機械阻抗變換器，使換能器與聲負載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負載之間傳遞交換超聲能量。
③固定機械系統(tǒng)。在超聲加工中，聲學系統(tǒng)要被很好的固定，否則將會影響加工的效果。通常情況下，我們都是在變幅桿所設(shè)計的波節(jié)上加工一個法蘭盤，然后將法蘭盤固定，從而將超聲加工中的聲學系統(tǒng)很好的固定，盡可能地減少機械能量的損耗。
④隔離作用。變幅桿使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學和化學上的隔絕，以免使加工時多余的熱量傳導到換能器上，影響換能器的性能。

變幅桿性能指標

超聲變幅桿是超聲振動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，了解它的參量也是很有必要的,在實際應(yīng)用中較常用的是：共振頻率、放大系數(shù)、形狀因數(shù)和輸入阻抗等。放大系數(shù)是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或者速度振幅的比值；形狀因數(shù)φ是衡量變幅桿所能達到的最大振動速度指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，φ值越大，所能達到的最大振動速度也越大；輸入力阻抗定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復數(shù)比值。

變幅桿的類型

變幅桿的種類較多，主要有：階梯型、圓錐形、指數(shù)型、懸鏈型等一般型以及上述幾種類型組合而成的復合型變幅桿。

變幅桿是超聲振動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一。在功率超聲技術(shù)的應(yīng)用中，不同的加工條件對變幅桿的要求也有所不同。在高頻強超聲處理應(yīng)用中，如超聲鉆切硬脆材料、超聲焊接、超聲金屬成形、超聲破碎及某些超聲治療等，變幅桿主要起放大聚能作用，對變幅桿要求有足夠大的放大系數(shù)。如果變幅桿的負載是固體，如超聲焊接、超聲鉆切等，在工作中還要求有一定的靜壓力，特別是在超聲加工過程中，加工工具有磨損，隨著工具的磨損，負載也要隨著變化，因此變幅桿還得具備較高的穩(wěn)定性和足夠的彎曲強度，所以采用指數(shù)型、懸鏈型或一些復合型變幅桿。若放大系數(shù)不大時，可采用圓錐型變幅桿，因為圓錐型變幅桿的彎曲勁度大，工作穩(wěn)定性高，容易進行機械加工。

當變幅桿的負載是液體或者液體與固體粒子的混合液時，在超聲處理過程中，負載的變化較小，而且不需要外加靜壓力，對變幅桿的輸入阻抗特性及彎曲勁度要求不高，因此常采用簡單的階梯型變幅桿。這種變幅桿在面積系數(shù)相同的情況下，放大系數(shù)最大，加工也比較容易。

在超聲加工中，在變幅桿的選用中還應(yīng)該注意以下幾點：
①當面積系數(shù)N相同時，對單一變幅桿而言，階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大，其次是懸鏈型、指數(shù)型，最小是圓錐型。其中，圓錐型變幅桿的放大系數(shù)最大可達到5~10倍；指數(shù)型變幅桿的放大系數(shù)最大可達到10~20倍，性能穩(wěn)定；階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大可達到20倍以上，但它受到負載時，振幅減小的現(xiàn)象比較嚴重，工作不夠穩(wěn)定，而且在粗細過渡的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。因此，在設(shè)計階梯型變幅桿時，其截面劇變處，盡量考慮加上過渡圓弧。
②指數(shù)型和圓錐型變幅桿的共振長度L隨N的增大而增大。在N＝1.01~1.81范圍內(nèi)懸鏈型變幅桿的L隨N的增大而變短，以后隨N的增大而增大。
③在高頻強超聲加工中(如超聲拉管)，在變幅桿的輸出端需要有很大的振動振幅。變幅桿的最大振動速度除了受桿材料的疲勞強度限制以外也和變幅桿的形狀有關(guān)，所以在滿足所需要的放大系數(shù)之外，還應(yīng)選擇形狀因數(shù)大的變幅桿。階梯型變幅桿雖然放大系數(shù)很大，但其形狀因數(shù)φ最小。在面積系數(shù)N相同時，有φ圓錐﹥φ指數(shù)﹥φ懸鏈線﹥φ階梯。
④加工難易程度不同。階梯型變幅桿最容易加工，圓錐型變幅桿次之，指數(shù)型和懸鏈型最難加工。

超聲波金屬焊接變幅桿材料選擇

變幅桿從外形上看就是一塊金屬桿，但是它的性能有它的材料來決定。因此，使用什么樣的材料，對于超聲加工用的變幅桿相當重要。在實際應(yīng)用中，對變幅桿材料的要求有以下幾點：
①在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小，傳聲效率高；
②所選材料的疲勞強度高，而聲阻抗小，以獲得較大的振動速度和位移振幅；
③所用的材料易于機械加工；
④做液體處理應(yīng)用時，還要求變幅桿所用材料保證輻射面耐腐蝕。
鋁合金、鈦合金、銅鎳合金，如硬質(zhì)合金、鈹青銅等這些金屬材料都可滿足上述要求。鈦合金的性能較好，但是它的機械加工較困難，價格昂貴；鋁合金加工容易，但是抗超聲空化腐蝕能力差；鋼的價格便宜，并且容易加工，但是在損耗上有點高。

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