长城汽车股份有限公司 河北保定 071000
摘要：根据产品的功能/性能、结构、材料、以及相关零部件部件的精度和技术规范等综合因素考虑，同时兼顾生产纲领要求（产量：150-200件/h；人员数量：1人，半自动化生产），经分析制定工艺流程及确定关键设备型号。工艺流程图：物料上线---电机压装---端盖和垫片装配---超声波焊接---成品下线，其中关键设备为超声波焊接站；此设计需满足相关需求，产品功能方面：超声波焊接熔深（0.6±0.05）mm，焊接强度满足爆破压力不低于0.8MPa，超声波焊接后表面清洁，不允许有焊渣、飞边等杂物；噪音：不高于75dB；工艺参数方面：电机压入力小于200牛顿；超声波焊接振幅：20微米；工件压力：600-800牛顿；本次主要对汽车某执行器产品超声波焊接工艺研究
关键词：超声波焊接工艺
1产品输入信息
产品主要组成零部件有电机、壳体、端盖、垫片、齿轮、衬套等构成，涉及的零部件如下：
①壳体：长：120mm宽：90mm高：80mm重量：0.2Kg；
②电机：直径：40mm高：90mm重量：0.3Kg；
③垫片：内径：27mm外径：36mm高：4mm重量：0.05Kg；
④端盖：外径：44mm高：13mm重量：0.05Kg。
产品性能参数：①焊接熔深：0.6±0.05mm；②焊接强度：爆破力不低于0.8MPa，产品焊接部位不允许爆裂。
2工艺流程图制定
工艺分析：
①工艺类型：大批量生产，产能：40万件/年，人员数量:1人；
②生产纲领：250天/年，1班/天，10小时/班，设备综合可动率90%；
③生产节拍：
④工艺装备要求：人工装卸料，设备自动装配/焊接；
依据产品输入信息，并综合工艺分析的要求，对装配内容进行综合分析，制定如下工艺流程：
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3超声波焊接机装备选型
3.1超声波焊接原理
超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。即通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成20、35或40KHz电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化的过程。
3.2超声波焊接机构成
超声波焊接系统的主要构成包括超声波发生器，换能器、变幅器、焊头、夹具和机架构成，具体如图1所示：
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图1
3.3超声波焊接过程
超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器和焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。
3.4超声波焊选型
已知工件材料为PBT-G30，超声波焊接时振幅经验值为20-30μm(材料经验值)，计算焊接振幅，具体公式如下：
设备发生器振幅*变伏杆*焊头振幅*系数=10.6*1.5*1.22*1.2=23.2μm
设备发生器振幅：10.6μm；
变伏杆：1.5:1；
焊头振幅：1.22μm；
安全系数：1.2。
经计算可知焊接振幅满足材料要求，同时结合超声波焊机样本，选定20KHz，功率2400W机型可满足焊接要求，具体参数如下：
设备发生器功率[W]：2400
设备发生器振幅[μm]：23μm
在8bar下最小/最大焊接力[N]：50/2240
工作冲程[mm]：150
外形尺寸（宽×高×深）[mm]在最大高度调整位置上时：733/1533/707
到超声波焊头的机器工作半径[mm]：260
高度调整[mm]：430
操作设备：15"彩色触摸屏
焊接模式：6种
焊件参数存储器：1000
存储的焊接数量（焊接工艺参数）：300个/焊件存储器
4效果确认
4.1工艺过程验证：超声波焊接过程通过对其焊接压力、振幅、时间等参数实时监控、并形成趋势曲线，可直观判定焊接结果，焊接工艺参数及曲线如图2所示：
4.2爆破强度验证：焊接样件在试验室用爆破夹具连接上，向壳体内冲0.8MPa的气压，保压5s，壳体未出现泄漏、破裂等现象，经焊接强度测试，焊接强度满足产品设计要求。同时对焊接工件进行刨切、抛光后，在显微镜下进行观察，具体如图3所示：
结论
本次设计的主要任务是完成汽车某执行器产品的制造工艺流程，重点阐述塑料超声波焊接工艺、设备选型等，焊接强度满足爆破压力不低于0.8MPa的要求；功能设计方面：满足焊接要求：超声波焊接熔深（0.6±0.05）mm，焊接强度满足爆破压力不低于0.8MPa，超声波焊接后表面清洁，不允许有焊伤、焊渣、飞边、毛刺等焊接缺陷。
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图2 图3
关于取材及标准方面，本设计中各个部件不尽相同。震动料斗直接选取外协制作成品设备，超声波焊接再已知参数情况下选择知名品牌设备，此焊接机是关键设备，因而对其选择尤其严格，例如焊头的材料，本次选用钛合金材料，保证质量和寿命均到达使用要求；确保设备运行可靠。
参考文献
[1]张福润，徐鸿本，刘延林.机械制造技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1999.
[2]杜裴、黄乃康.计算机辅助工艺过程设计原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.