介紹
自動化工程中的一個關(guān)鍵議題是通過新材料，新材料的結(jié)合以及新型焊接工藝的使用來減小車輛及零部件重量。當(dāng)前對輕量化結(jié)構(gòu)的需求提高了對金屬的應(yīng)用，比如輕金屬，纖維復(fù)合材料，超高強度鋼及其合金。
非接觸測試系統(tǒng)特別適合對高動態(tài)超聲工藝進行在線參數(shù)化。位移測試可使用電容式傳感器，而光學(xué)測試系統(tǒng)使用激光有更顯著的優(yōu)勢。由于焊接部件的尺寸很小，所以普通傳感器很難接近，但激光測試系統(tǒng)很容易就可以進入到狹小的環(huán)境中去，因為使用靈活的光纖傳輸激光，并將激光聚焦在測試點上。正是因為這樣的優(yōu)點，所以凱澤斯勞滕大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（WKK）愿意使用激光多普勒測振儀法進行數(shù)據(jù)采集。而且，通過使用Polytec公司的差分式激光測振儀(OFV-552)可測得整個頻譜上的相對速度與位移結(jié)果。如圖1所示，設(shè)計了一個試驗用來控制和分析焊接過程，并且使用了圖中的激光測振系統(tǒng)對重要的工藝參數(shù)比如焊接力與能量進行了測試和控制，并全程以高分辨率對選擇的焊接點進行了超聲振動的測試。
圖1 超聲焊接系統(tǒng)與差分激光測振儀
使用激光測振儀對碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的超聲焊接參數(shù)化
在一個德國研究基金支持的項目的框架中，已經(jīng)可以證實超聲焊接工藝可使得輕金屬與CFRP板之間的焊接點具有高度的耐久性。這些材料之間的連接區(qū)域是由兩個步驟形成的，超聲焊接時間不超過5秒鐘。首先，高頻的橫向振動導(dǎo)致CFRP的聚合母體從焊接區(qū)域開始塑化并擠出。然后超聲速的振動實現(xiàn)了在不破壞合成材料織物的情況下，金屬板與合成材料的承載纖維之間的焊接，這樣就形成了高達50MPa的拉伸剪切強度。
焊接材料之間充分的相對運動是實現(xiàn)高耐久焊接的極其重要的條件。差分式激光測振儀成功地對該振動進行了定量描述。在圖2中，顯示了焊接系統(tǒng)不同的部件和焊接件測試結(jié)果。必要的相對運動實現(xiàn)了焊接件的結(jié)合，這已經(jīng)基本通過單激光測試以及雙激光測試得到了驗證。
圖2 金屬與碳纖維復(fù)合材料焊接過程中的速度頻譜圖
關(guān)于相同的位移量的貢獻，已經(jīng)在測試過程中對超聲焊接頭進行了詳細的測試。試驗搭建如圖3所示，在測試中，選擇了一個星型金屬超聲焊接頭。超聲焊接頭對鋁板進行焊接時，由激光測振儀在超聲焊接頭表面進行位移測試。圖4中的結(jié)果顯示，與接觸式測試系統(tǒng)相比，激光測振儀的位移測試結(jié)果要高8%，測試結(jié)果的差異是由于加載在超聲焊接頭上的傳感器質(zhì)量慣性的影響。
圖3 測試焊接工具振動貢獻量的試驗
圖4 焊接過程中金屬焊接頭的振動貢獻量
測試結(jié)果顯示在6個超聲焊接頭工作區(qū)域的工作表面的振動幅值，與焊接頭中心的振動幅值(u = 43.5 μm)相比，結(jié)果是相同的且可重現(xiàn)。激光測振儀是非常出色的測試工具，能在工況條件下可靠地測量振動幅值并能夠在細節(jié)上評估超聲焊接過程。
總結(jié)與結(jié)論
利用差分式激光多普勒測振儀在超聲焊接過程中對振動進行測量，實現(xiàn)了高頻焊接過程的定量化修正圖。激光多普勒測振法的幾個顯著優(yōu)勢，包括小的聚焦點，高分辨率位移測試，無質(zhì)量載荷，高帶寬以及相對遠的測試距離，共同實現(xiàn)了超聲焊接過程的現(xiàn)場振動測試。
