超声金属焊接双法兰结构声学系统设计

【作者】 靳涛； 胡小平； 胡扩； 于保华； 王志兵；

【机构】 杭州电子科技大学；

【摘要】 传统单法兰节点支承声学系统末端焊接头由于需要承载较大的径向静压力,导致节点法兰处的应力容易超过其材料的强度,引起变幅杆结构发生破坏;同时在实际加工中因为加工误差、频率漂移等问题节点位置很容易发生偏差,导致设计法兰不再是振幅为零的位置,严重影响了振幅输出;并且存在变幅杆加工较为困难的情况。针对传统单法兰节点支承结构存在的问题,提出了一种声学系统双法兰支承方案。首先,对双法兰进行设计与优化,既能保证超声波传递效率又可保证支撑结构刚度。45#钢材料与焊接头的材料一致,降低了超声波传递过程中发生反射的现象,提高了超声波传递效率同时具有良好的的抗拉强度和抗疲劳强度。因此,综合考虑传递效率和结构刚度以及寿命的要求,选择45#钢作为法兰结构的制作材料。为尽量避免能量传递到安装座,造成能量损耗影响声学传递效率,在连接螺栓孔与法兰安装孔之间设计弧形槽口。以变幅杆的振幅放大倍数表征传递效率,以最大等效应力表征结构刚度,对声学系统进行静力学分析研究法兰厚度对最大等效应力的影响规律,综合分析,法兰厚度在0.8mm左右时最大等效应力为242.17MPa,低于45#钢屈服强度355MPa,有足够的结构刚度;振幅放大倍数为3.86,表现出良好的超声波传递效率。然后,以降低变幅杆的最大等效应力和提高振幅放大倍数为优化目标函数,基于有限元分析软件对法兰厚度为0.8mm的声学组件进行整体优化。对传统单节点法兰声学组件、优化后的双法兰声学组件进行分析比较。对比数据可以发现:优化后的双法兰结构声学组件受静压力时最大等效应力为242.13MPa远远小于传统单节点的声学组件最大等效应力1078.5 MPa,具有良好的结构刚度;在纵振频率下,双法兰结构声学组件振幅放大倍数为3.88,小于传统单节点结构的3.96,但是两者相差并不明显,可见双法兰声学组件的超声波传递效率并没有下降很多,仍然能够满足金属焊接的需要。最后,通过实验测量声学系统的谐振频率、阻抗特性、振幅放大倍数等参数验证有限元分析结果。实际频率40.119kHz与有限元分析频率39.995kHz非常接近,相对误差仅为0.31%,满足设计要求。阻抗分析结果显示导纳圆是一个规则的圆形,上下基本对称,动态电阻为87.4199Ω,机电耦合系数与品质因数均较为合适。有效功率分别为2W、4W和7W的情况下,声学系统振幅放大倍数分别为3、2.67和2.75,与仿真结果的相对误差分别为23%、31%和29%,在误差可接受的范围内验证了有限元分析的结果。更多还原