超聲波焊頭設(shè)計與制作要點

2021-04-16 09:38

超聲波模具/焊頭設(shè)計是一個十分復(fù)雜的工作，必需依據(jù)產(chǎn)品來進(jìn)行定制的設(shè)計，需要根據(jù)模具材料，尺寸以及機器頻率，聲學(xué)原理等因素做全面綜合的考慮。設(shè)計的理念是在設(shè)計過程中充分收集客戶心聲進(jìn)行針對性的設(shè)計；并且預(yù)先考慮生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的偏差，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合理的水平內(nèi)。

塑料超聲波焊接的振幅特點：
塑料在超聲波焊接時首要選擇的工藝參數(shù)即為聲學(xué)系統(tǒng)輸出機械振幅。從塑料升溫角度來看,由于其物理性質(zhì)不同,塑料隨焊接振幅的發(fā)熱率和溫升率不同，因而每種材料都有一達(dá)到熔化的最小振幅。如果振幅不夠, 塑料很難達(dá)到使之熔融的溫度。同時塑料的焊接強度與振幅也密切相關(guān),所以對特定的塑料來講存在一個最合適的振幅范圍。所以欲保證焊接的成功進(jìn)行,焊頭振幅就必需隨焊件材料種類而調(diào)整。另外焊接形式不同所需振幅也不同,如嵌插和鉚焊所需振幅較大,而平面焊所需振幅較小。即超聲波焊頭輸出振幅要隨焊件的種類和焊接形式而調(diào)整。

超聲波焊頭設(shè)計要求：
超聲波塑料焊機在工作時要求發(fā)生器和聲學(xué)系統(tǒng)頻率吻合,同時組成聲學(xué)系統(tǒng)的換能器、變幅桿和焊頭也應(yīng)處于諧振狀態(tài),從而保證焊機有最大效率的聲能輸出。
對干超聲波塑料焊機而言,焊頭設(shè)計應(yīng)滿足以下三個條件:
1）工況所需振幅;
2)工作時內(nèi)部應(yīng)力小于材料彈性極限;
3)系統(tǒng)頻率吻合。
一般地講,焊頭設(shè)計包括兩大部分: （1）選擇焊頭材料; （2）以與系統(tǒng)匹配的頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。

評判超聲波焊頭優(yōu)劣的幾個專業(yè)參數(shù)：
1、超聲波焊頭振幅參數(shù)
振幅對于需要焊接的材料來說是一個關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強度變差。因為每一間公司選擇的換能器不同，超聲波換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10—20μm，而工作振幅一般為30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關(guān)，形狀來說如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對變比影響很大，前后面積比與總變比成正比。貴公司如果選用的是不同公司品牌的焊接機，最簡單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定。

2、超聲波焊頭頻率參數(shù)
任何公司的超聲波焊接機都有一個中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機的工作頻率主要由換能器、變幅桿、和焊頭的機械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個部份都設(shè)計成一個半波長的諧振體。發(fā)生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，如一般設(shè)定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機基本都能正常工作.我們制作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.90—20.10 KHz，誤差為5‰。

3、超聲波焊頭節(jié)點
焊頭、變幅桿均被設(shè)計為一個工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態(tài)下，兩個端面的振幅最大，應(yīng)力最小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點振幅為零，應(yīng)力最大。節(jié)點位置一般設(shè)計為固定位，但通常的固定位設(shè)計時厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定為零振幅，這樣就會引致一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行屏蔽，能量損失在設(shè)計振幅參數(shù)時予以考慮。

超聲波焊頭根據(jù)模具材料分為三種：
1、鋁鎂合金模具，用于振動系統(tǒng)（變幅桿）及焊頭的制造，該材料具有極高的機械屈服強度，硬度高，熱傳導(dǎo)性強，是理想的超聲波模具制造材料；但鋁制本事不耐磨，適合一般焊接要求
2、鈦合金模具：用于連續(xù)發(fā)振的機種，軔性較高，熱傳導(dǎo)佳，硬度高，成本比鎂鋁合金高，但是較鎂鋁合金模具耐用耐磨。
3、進(jìn)口硬質(zhì)合金鋼模具：進(jìn)口合金料，硬度極高，用于連續(xù)焊接或是要求耐磨性超高焊接，熱傳導(dǎo)低，對超音波機械損耗高，因為耐磨，使用成本低，但制作工藝比較復(fù)雜。

超聲波焊頭設(shè)計是超聲波塑料焊接機應(yīng)用的必經(jīng)環(huán)節(jié)。焊頭設(shè)計合理與否決定了焊機能否成功應(yīng)用。超聲波焊頭設(shè)計不僅要考慮其應(yīng)力條件、振幅條件,更重要的是其頻率條件焊頭的結(jié)構(gòu)尺寸影響了整個聲學(xué)系統(tǒng)的頻率特性,通過對其進(jìn)行修正，可以使換能器、變幅桿和焊頭達(dá)到較佳匹配狀態(tài)。

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