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第6-2讲：超声焊接和加工2014年3月20日主要内容超声金属焊接超声塑料焊接超声缝纫超声加工超声焊接含义超声焊接是通过超声振动使焊件在固体状态下连接起来的一种工艺过程。超声焊接金属或塑料时不需要外加热。1.超声金属焊接1.1超声焊接装置1.2超声焊接原理超声换能系统纵向振动焊接工具头带动上焊件振动焊件交界面产生摩擦破除金属表面氧化膜接触面增大焊区温度升高塑性变形原子引力形成焊点压力作用1.3超声焊接主要因素焊件表面的共同变形，在微观接触部分产生显著的切向变形；靠近焊接表面的金属晶格的原子能级升高，以及在超声场中扩散过程被加强等；在两焊件的边界上形成了共同的晶粒而金属并未熔化。1.4超声焊接的优点焊接时间短，质量高。不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力。焊前、焊后处理简单。易于实现自动化。1.4超声焊接的优点可焊接异类金属。不但同类金属，异类金属也可以焊在一起。可以将薄片或细丝焊在厚板上。用于药物和易爆材料的密封焊时，能避免一般焊接因有熔解物而污染药品，不会因受热而发生爆炸。1.5超声焊接的缺点焊接时间过长或超声振动幅度过大都会位焊接强度下降，甚至破坏。2.超声塑料焊接2.1塑料的特点质轻：密度一般在1－1.5cm3之间有一定强度，耐腐蚀，易加工有优异的电绝缘性能，减摩耐磨，振动阻尼能力优良。工程塑料还有突出的耐高低温、耐冲击、高强度和高化学稳定性2.2塑料的分类热塑性塑料：是线型或枝化的稳定高分子量聚合物，受热可软化、流动，遇冷则凝固，反复多次亦不改变其化学结构。热固性塑料：在固化前是可溶解、熔化的线型聚合物，经过加热或加入交联剂，即变成不熔的共价交联体型网络。前者一般可直接应用，后者多用作增强塑料的粘合剂。如：玻璃胶超声塑料焊接只能焊接热塑性塑料，而不能焊热固性塑料2.3超声焊接装置其中包括频率自动跟踪系统、振幅控制系统和时间控制系统。2.4超声塑料焊接原理通过上焊件把超声振动能量传送到焊区；由于焊区（即两焊件交界面处）声阻大，因此会产生局部高温，又由于塑料导热性差，热量来不及及时散发，聚积在焊区；致使两塑料接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体；当超声波停止后，让压力持续几秒钟，使其固定成型；这样就形成一个坚固的分子链，形成焊点或焊面，达到焊接的目的。2.5塑料焊接与金属焊接到差别超声塑料焊接的纵向振动，振动方向与焊件垂直，而不象金属焊接那样振动方向与焊件平行，超声塑料焊接不是用超声振动带动上焊件振动，而是通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。2.6超声塑料焊接的分类一般焊区距辐射声能的工具与端面间的距离在6~7mm以内的称为近场焊接，而大于此距离的则称为远场焊接。2.7超声塑料焊接到优点焊接时间短，质量高；不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力；可以远场焊接；易于实现自动化。超声还能使金属零件镶嵌在塑料制品中。超声振动施加于金属件，使金属件很快地镶嵌到塑料制品中，这在轻工塑料制品中是一种新工艺，使用方便而迅速，可以简化塑料模具制作。2.8塑料焊接与金属焊接的异同共同点焊接时间短，质量高；不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力；易于实现自动化。2.8塑料焊接与金属焊接的异同不同点超声金属焊接中超声振动方向和焊件平行；超声塑料焊接中超声振动方向和焊件垂直。超声金属焊接中上下焊件之间有相对运动；超声塑料焊接中上下焊件之间无相对运动。2.8塑料焊接与金属焊接的异同不同点超声金属焊接中超声振动带动上焊件振动。上下焊件之间摩擦破除氧化膜，加压后焊接在一起。超声塑料焊接中通过上焊件将超声振动能量传入焊区。两焊区交界面声阻大，产生局部的高温，使塑料熔化，加压后焊接在一起。3超声缝纫3.1超声缝纫原理对薄膜塑料或化纤纺织品可以用超声进行连续缝焊，通常称为超声无线缝纫或超声缝纫。一个纵向超声振动系统以一定角度与上焊件接触，而下声极是一个可转动的圆柱。这样，当焊件从中通过时，即可完成一条连续焊缝。3.2超声缝纫的特点对许多小件物品进行焊接，可以多台焊接设备并用，对化纤被褥等大件物品连续缝纫。通过对上、下声极的表面进行的特殊设计，可使焊缝形成美观的花纹。超声还能对塑料薄膜及复合包装纸进行缝焊、封装，对化纤织物进行无线缝纫、剪裁及印花等等。4超声加工4.1超声加工的含义及应用范围含义：超声加工是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法。磨料冲击加工超声切削加工超声磨削加工超声光整加工超声塑性加工超声切割超声打孔超声套料超声雕刻超声车削超声钻削超声镗削超声滚齿超声攻丝超声锯料超声修正砂轮超声清洗砂轮超声磨削超声磨齿超声珩磨超声珩齿超声抛光超声研磨电火化超声复合加超声强化超声拉管超声拉丝超声冲裁超声挤压超声铆墩超声弯管和矫直4.2磨料冲击超声加工基本概念：磨料冲击超声加工是利用加工工具作超声振动并通过磨料冲击被加工工件来碎除材料的技术。4.2磨料冲击超声加工－原理工具以一定静压力压在工件上；在加工区域送入磨料悬浮液；工具作进行周期性的锤击，材料粉碎成细粒从材料上脱落下来。磨料悬浮液作循环流动，带走被粉碎下来的材料微粒和更新磨料，工具在静压力的作用下逐渐深人工作区而形成与工具形状相同的孔穴。4.2磨料冲击超声加工－特点特别适合于加工硬脆材料。如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗和宝石等；加工形状不限于圆孔。可以加工各种复杂形状的型孔、型腔、深孔等；对工件的宏观作用力小，热影响小，不会产生残留应力；加工精度和表面光洁度较高。磨料冲击超声加工已经广泛应用于硬脆材料加工、超声钻孔、套料、切割和雕刻等。4.3超声切削基本概念：超声车削是给刀具（或工件）在某一方向上施加一定频率和振幅的振动，以改善车削效能的车削方法。4.3超声切削－分类一种是以断屑为主要目的，这时多采用低频（最高几百赫）、大振幅（最大可达几毫米）的进刀方向振刀；另一种是以改善加工精度和表面粗糙度、提高车削效率、扩大车削加工适应范围为主要目的，则要用高频、小振幅振刀。4.3超声切削－特点切削力大幅度地降低；切削温度大幅度降低。切屑的平均温度仅左右(相当于南方的夏季高温气候)。大幅度降低表面粗糙度和显著提高加工精度；工具寿命大幅度提高；切屑容易处理。4.4超声金属塑性加工塑性：十世纪50年代B1aha和Langenecker在用锌单晶加超声振动作拉伸实验时，发现张应力下降的“软化”现象。4.4超声金属塑性加工－原理超声波金属塑性加工，就是将高频的电能通过换能器的机电转换装置二转换成相应频率的机械振动能－超声波振动能，然后通过介质耦合将超声振动能耦合到加工工具上去。最后通过工具和被加工材料的加工接触而传递到加工材料中去，以获得超声，并将它用于工业上帮助振动对金属塑性变形作用的过程。4.4超声金属塑性加工－举例在冷拔过程中，超声振动施加于外模或内模(芯棒)，这样能够降低拉拔力、提高产品质量。4.4超声金属塑性加工－优点①直径厚度比可达500:1，而普通冷拔只能达50:1左右；②降低拉拔力，提高延伸系数，进行多道连拉能够拉拔塑性小的难拔材料。③减少破裂，提高表面光洁度、尤其是内表面的光洁度。④能够拔制复杂形状的管子，如核反应堆用的形管，航空高压油管。⑤延长工具寿命，节约劳动时间等等4.4超声金属塑性加工其它应用：冷拔金属丝、超声挤压、拉伸成型、超声弯管和矫直。作业：（1）超声金属焊接和超声塑料焊接的异同点。（2）超声冷拔的原理和优点。