孫長(zhǎng)偉　陳蔡飛揚(yáng)

摘 要： 為了研究超聲波焊接儀焊頭在焊接空調(diào)工藝管（銅管）工作溫度時(shí)不同成分含量焊頭的使用壽命。首先配比不同成分含量的焊頭進(jìn)行試驗(yàn)，在達(dá)到一定次數(shù)后觀察不同含量焊頭的崩口或脆裂情況。研究結(jié)果表明用于空調(diào)工藝管（銅管）焊接及切割的超聲波焊頭材料宜選用W、V、Mo含量較高，Cr含量較低的合金鋼。其中Cr含量不超過(guò)6%，避免低溫回火導(dǎo)致雜質(zhì)及滲碳體在奧氏體晶界偏聚析出引起鋼材變脆。該研究可為同類(lèi)超聲波焊接儀焊頭設(shè)計(jì)提供優(yōu)化參考。

關(guān)鍵詞： 超聲波焊頭;銅管;成分含量;回火脆性;含量分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG456.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）20-0181-01

超聲波焊接利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦形成分子層之間的融合。通過(guò)超聲波發(fā)生器將50/60Hz的電流轉(zhuǎn)換成15-40KHz的電能，被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過(guò)通過(guò)換能器再次被轉(zhuǎn)換成同等頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)一套可改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭（超聲波刀頭），在靜壓下將線框振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功，形變能及有限溫升。

焊頭作為設(shè)備直接作用部件，設(shè)備正常工作時(shí)：超聲波焊頭能量范圍為560Ws-900Ws之間，刀頭溫度：室溫至190℃間（單工藝管，工作間隙5S的情況下），極限溫度可達(dá)280℃。在高能超聲波及連續(xù)作業(yè)的環(huán)境下，很容易造成焊頭的崩口及裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量及造成焊頭報(bào)廢。本文建立六種不同成分含量的焊頭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及金相分析對(duì)不同含量焊頭的使用壽命進(jìn)行分析。

以下為Cr12型鋼主要化學(xué)成分用于參考焊頭焊頭各元素含量的配比：

本次試驗(yàn)材質(zhì)主要為Cr12鋼系，刀頭硬度HRC58～60之間;主要熱處理工藝為 980℃油淬，200℃回火;焊頭使用要求：設(shè)備穩(wěn)定工作輸出能量約為950Ws，焊頭焊接次數(shù)不低于40000次。

本次共計(jì)設(shè)計(jì)配比六種焊頭，以下為各刀頭的成分含量及試驗(yàn)結(jié)果：

各焊頭使用情況對(duì)比如下：

1號(hào)焊頭（W18Cr4V，高速鋼）、2號(hào)焊頭（5Cr4W5Mo2V，熱作模具鋼）含W成分5%以上，W合金熔點(diǎn)3410±20℃，回火溫度≥700℃，遠(yuǎn)高于超聲波封口溫度200～300度溫度區(qū)間，同時(shí)W合金高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能、導(dǎo)熱性、延展性能較好，有利于散熱，韌性較好，提高刀頭韌性、散熱的性能，不易出現(xiàn)崩口;2號(hào)焊頭（崩口）不含W，散熱性、延展性、韌性差;同時(shí)二代刀頭Cr的含量約13.5%，是一代、國(guó)產(chǎn)的3倍，Cr的特性是提高金屬的硬度、耐磨性，增加材料硬脆程度，同時(shí)在275～375℃間時(shí)存在回火脆性區(qū)，導(dǎo)致材料硬脆，易出現(xiàn)崩口。

根據(jù)試驗(yàn)可得，1號(hào)焊頭、2號(hào)焊頭均不崩口，W是主合金元素，含W成分5%以上，而2號(hào)焊頭易崩口不含W;1號(hào)焊頭、2號(hào)焊頭、6號(hào)焊頭含Cr成分4-5%，3號(hào)焊頭、4號(hào)焊頭、5號(hào)焊頭Cr的含量9%-13.5%，Cr的含量相對(duì)較高，材料硬脆。

合金元素對(duì)鋼材低溫回火脆性產(chǎn)生較大的影響。鉻和錳促進(jìn)雜質(zhì)元素磷等在奧氏體晶界偏聚，從而促進(jìn)低溫回火脆性，鎢和釩基本上沒(méi)有影響，鉬降低低溫回火的韌性—脆性轉(zhuǎn)化溫度，但尚不足以抑制低溫回火脆性。硅能推遲回火時(shí)滲碳體析出，提高其生成溫度，故可提高低溫回火脆性發(fā)生的溫度。

根據(jù)上述驗(yàn)證及分析，超聲波焊接儀焊頭材料宜選用W、V、Mo含量較高，W、V、Mo含量含量較低的合金鋼。其中Cr含量建議不超過(guò)6%，避免低溫回火導(dǎo)致雜質(zhì)及滲碳體在奧氏體晶界偏聚析出引起鋼材變脆。

本文所研究的超聲波焊接儀焊頭主要通過(guò)改變焊頭中各元素含量的占比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出符合各工作頻率及溫度的最佳焊頭成分選材。實(shí)驗(yàn)表明W、V、Mo含量提高有助于增加焊頭使用次數(shù)，對(duì)于其他金屬類(lèi)焊接焊頭設(shè)計(jì)提供一定的參考思路。

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