超声焊接压电换能器的研制

　　0 序言

　　超声焊接是一种可点焊、连续焊等各种焊接工作方式的焊接方法,易于实现焊接的控制;结合时间短,结合部分不产生铸造组织缺陷;能在同种金属、不同种金属之间进行焊接,尤其适用于金属管材、箔片、细丝、微小器件等的特殊焊接[1].由于能连续焊、速度快、强度高、能耗低,因此倍受焊接生产企业的欢迎.超声焊接装置由焊接头、发生器、换能器、变幅杆、调速电机、变频器、压缩机、汽缸等组成.超声焊接的主要参数是频率、振幅、静压力及焊接时间,而决定频率和振幅的核心部件是换能器和变幅杆.工艺研究表明,换能器的频率和振幅是影响焊接强度的主要参数,简洁、方便、可靠地设计换能系统是保证焊接质量的关键[2].文中以谐振频率21kHz,输出振幅10μm以上的换能器和变幅杆设计为例,探讨一种新的超声换能系统的研制方法.

　　1 四端网络设计法

　　1.1 变截面细杆的一维纵振方程和四端网络法

　　在超声加工领域,常采用一种在压电陶瓷圆片两端面夹以金属块而组成的夹心式换能器.在设计时为了简化分析夹心式换能器的振动状态,进行如下假设:换能器的总长度要和超声波长相比拟,换能器的直径必须小于超声波长.在这一假设下,换能器的振动可以近似看成一个细长变截面细棒的纵向振动.在换能器的各组成部件的连接面两侧位移和应力是连续的,因此对于夹心式换能器可以抽象成一个复合细杆振动的理想模型.

　　任意截面形状的均质细杆如图1所示,长为L,横截面积为S(x),X截面上的纵向位移为ξ,则可得细杆纵向自由振动的运动方程为[3]

　　若振子随之亦做简谐振动,即ÛN=v=jXN,则式(1)可简化为

　　式中:k为波数.对式(2)做变换,得

　　其中k²1=k²-.式(3)有简谐解y=Asin(k1x)+cos(k1x).因此,细杆的振动速度函数和力函数分别为

　　由细杆两端的边界条件:

　　可以得到细杆的机械运动方程组

　　由式(6),可得

　　任意截面杆都可等效为一个四端网络如图2所示.

　　当截面杆的两端自由振动时,两端的位移最大,此时的传输特性方程为

　　此时的频率方程为a21=0,两端的振动速度为v2/v1=a11.

　　同理,当截面杆的前端自由振动,后端被夹持时,频率方程为a11=0;当截面杆的前端被夹持、后端自由振动时,频率方程为a22=0;当截面杆的前后端都被夹持时,频率方程为a12=0.

　　由上述4种情况就可以对任意截面杆的换能器或者变幅杆进行推导,最终求得各自的频率方程和两端的振速比.