超聲波焊頭設計與制作要點

2021-04-16 09:38

超聲波模具/焊頭設計是一個十分復雜的工作，必需依據產品來進行定制的設計，需要根據模具材料，尺寸以及機器頻率，聲學原理等因素做全面綜合的考慮。設計的理念是在設計過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設計；并且預先考慮生產過程可能出現的偏差，保證最終產品的質量分布在合理的水平內。

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即為聲學系統輸出機械振幅。從塑料升溫角度來看,由于其物理性質不同,塑料隨焊接振幅的發熱率和溫升率不同，因而每種材料都有一達到熔化的最小振幅。如果振幅不夠, 塑料很難達到使之熔融的溫度。同時塑料的焊接強度與振幅也密切相關,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行,焊頭振幅就必需隨焊件材料種類而調整。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整。

超聲波焊頭設計要求：
超聲波塑料焊機在工作時要求發生器和聲學系統頻率吻合,同時組成聲學系統的換能器、變幅桿和焊頭也應處于諧振狀態,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,焊頭設計應滿足以下三個條件:
1）工況所需振幅;
2)工作時內部應力小于材料彈性極限;
3)系統頻率吻合。
一般地講,焊頭設計包括兩大部分: （1）選擇焊頭材料; （2）以與系統匹配的頻率為基準進行結構尺寸設計。

評判超聲波焊頭優劣的幾個專業參數：
1、超聲波焊頭振幅參數
振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數，相當于鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。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，形狀來說如指數型變幅、函數型變幅、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，能保證振幅參數的穩定。

2、超聲波焊頭頻率參數
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，發生器的頻率根據機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，如一般設定為±0.5 KHz，在此范圍內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整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于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、超聲波焊頭節點
焊頭、變幅桿均被設計為一個工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節點振幅為零，應力最大。節點位置一般設計為固定位，但通常的固定位設計時厚度要大于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，或采用隔聲材料進行屏蔽，能量損失在設計振幅參數時予以考慮。

超聲波焊頭根據模具材料分為三種：
1、鋁鎂合金模具，用于振動系統（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：用于連續發振的機種，軔性較高，熱傳導佳，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、進口硬質合金鋼模具：進口合金料，硬度極高，用于連續焊接或是要求耐磨性超高焊接，熱傳導低，對超音波機械損耗高，因為耐磨，使用成本低，但制作工藝比較復雜。

超聲波焊頭設計是超聲波塑料焊接機應用的必經環節。焊頭設計合理與否決定了焊機能否成功應用。超聲波焊頭設計不僅要考慮其應力條件、振幅條件,更重要的是其頻率條件焊頭的結構尺寸影響了整個聲學系統的頻率特性,通過對其進行修正，可以使換能器、變幅桿和焊頭達到較佳匹配狀態。

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