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超聲波塑料焊接機的基本構(gòu)成及其各部分的作用
超聲波塑料焊接機由壓力機 、超聲波發(fā)生器 、超聲波換能器 、超聲波變幅桿 、超聲波焊頭和零件支撐工裝等組成 。超聲波塑料焊接原理：當超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時還不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的。
超聲波發(fā)生器 （超聲波振蕩器）
超聲波發(fā)生器的作用是將工頻( 50 或 60Hz ) 電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電壓 。 微處理器經(jīng)由用戶界面控制焊接循環(huán)和反饋關(guān)鍵焊接信息給用戶 。 用戶界面也允許操作人員輸入所需的焊接參數(shù) 。
超聲波塑料焊接機結(jié)構(gòu)簡圖
焊接套件( welding stack ) / 聲能系統(tǒng)
焊接套件提供超聲機械振動，一般由超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波焊頭三部分組成，將變幅桿中部固定在焊接壓力機上 。焊接套件是有點類似音叉的諧振器 。焊接套件的諧振頻率必須緊密匹配來自發(fā)生器的電信號的頻率( 相差少于 30Hz ) 。
超聲波換能器
超聲波換能器通過逆壓電效應(yīng)將來自于發(fā)生器的超聲頻電壓轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲機械振動 。它由夾于兩金屬( 通常是鈦) 塊之間的若干壓電陶瓷片組成 。片與片之間有一薄金屬板形成電極 。在正弦電信號經(jīng)由電極提供給換能器時，壓電片膨脹和收縮，產(chǎn)生15－20μm的軸向峰到峰運動 。換能器是精密設(shè)備，應(yīng)小心處理 。
超聲波變幅桿
超聲波變幅桿有兩個作用 。其主要作用是放大超聲波換能器端部產(chǎn)生的機械振動并將振動傳給超聲波焊頭 。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機上的位置 。 在換能器施加超聲能量時，變幅桿也膨脹和收縮 。與焊接套件中的其它零件一樣，變幅桿是調(diào)諧裝置，因而它也必須在特定頻率共振以便將超聲能量從換能器傳至焊頭。為了有效地發(fā)揮作用，變幅桿必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長或半波長的整數(shù)倍。一般為半波長。
焊頭（焊咀）
焊頭是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。與變幅桿一樣，焊頭也是調(diào)諧裝置，在大部分應(yīng)用中也提供機械放大，焊頭的長度必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長或半波長的整數(shù)倍 。這保證焊頭端部有足夠的振幅實現(xiàn)焊接 。振幅一般為30－120μm。待焊零件和接頭設(shè)計決定焊頭的尺寸和式樣 。焊頭的形狀至關(guān)重要，因為焊頭的軸向膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會在高振幅情況下造成開裂 。 在某些應(yīng)用中，焊頭加工有多個軸向狹槽 。這是為了確保最大振幅位于縱向。焊頭端部將超聲能量傳給待焊零件。端部應(yīng)專門設(shè)計以匹配零件來確保焊頭和零件之間實現(xiàn)最大能量傳遞 。通常焊頭端部做成匹配零件輪廓的型材 。約75% 的焊頭是由鈦制成，約 15% 由鋁制成，其它焊頭由HRC54 － 56 的淬硬鋼制成 。鈦質(zhì)輕、硬度適當、韌性好、聲學(xué)性能優(yōu)是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質(zhì)合金用于高磨損場合 。但是其價格昂貴，難以機加工。鋁質(zhì)輕 、容易加工，聲學(xué)性能好、成本低，用于制作大零件焊接時的大焊頭和原型焊頭或需復(fù)雜加工的焊頭 。鋁焊頭由于表面硬度低 、 容易磨損 、 疲勞性能差，不適合于長期生產(chǎn)應(yīng)用，常用于小批量應(yīng)用 。為防止產(chǎn)生壓痕和減少磨損，鋁必須鍍鎳或鉻 。在需耐沖擊或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金屬嵌件時，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強度低，只用于低振幅場合。復(fù)雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復(fù)合式焊頭( 子母焊頭) ，這時基底焊頭采用鋁質(zhì)，鈦或鋼次級焊頭與基底焊頭相連并引導(dǎo)能量 。
壓力機
壓力機用于固定焊接套件及施加焊接所需的作用力 。它由固定工裝夾具的底座和施加作用力的氣缸組成 。壓力機上帶有壓力表和調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)焊接作用力 。應(yīng)該注意的是某一超聲波焊接設(shè)備上設(shè)定的特定表壓與另一設(shè)定同一表壓的焊機提供的焊接作用力不一定相同 。焊接作用力應(yīng)該用測壓儀校準以便對不同焊機之間的焊接作用力進行直接比較 。壓力機上也有流量控制閥可以對 焊頭接近待焊零件的速度進行調(diào)節(jié) 。有些焊接設(shè)備采用電磁力加壓系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的氣缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件時是有益的 。 支撐工裝壓力機底座固定焊接過程中支撐零件的工裝 。支撐工裝是為防止下部零件在超聲波作用時發(fā)生移動專門設(shè)計的，它通常加工成緊密匹配零件表面輪廓的形狀 。夾具從簡單到復(fù)雜的都有，由零件設(shè)計來決定 。下部零件必須受到牢固放置和支撐 。夾具或底座應(yīng)可調(diào)確保零件垂直于焊頭 。夾具可由若干材料加工而成 。不銹鋼是最佳選擇，因為它容易機加工和拋光 。 特型夾具現(xiàn)在可直接經(jīng)由CAD數(shù)據(jù)加工 。較大的 、復(fù)雜的 、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質(zhì)聚氨酯裝夾。
超聲波焊接是最常用的塑料焊接技術(shù)，在塑料加工業(yè)久享盛譽 。由于焊接速度快、低能耗、焊縫質(zhì)量一致性與再現(xiàn)性好、該技術(shù)是包裝、汽車、醫(yī)療、電氣、電子、家用器具行業(yè)大批量生產(chǎn)應(yīng)用的首選焊接技術(shù) 。
