超聲波塑料焊接機的噪音與控制

2021-11-15 18:11

超聲波塑料焊接由于快捷、衛生、強度較高、控制方便而得到人們的廣泛重視。通常應用的超聲波塑料焊機工作頻率一般為20kHz,對于小件及精密零件焊接也有采用30~40kHz、75kHz、300kHz等。盡管這些焊機的工作頻率已經超過了人耳可聽閾(16kHz),但由于超聲波焊接是利用高頻振動來產熱，這種振動勢必造成低頻振動的激勵和諧音的產生，從而引發了人耳可聽的噪音存在。研究表明,這些高頻及低頻振動(聲音)有時會引起頭疼、疲勞、甚至造成眩暈、惡心、嘔吐以及聽力下降等不良反應。本文綜合實際的焊接研究工作探究了超聲波塑料焊接過程中噪音產生的主要原因及可能的防止措施。

超聲波塑料焊接機

超聲波焊接利用高頻振動來獲得焊接效應，那么超聲的產生、傳播、放大、聚焦所有聲波傳遞過程中，所有不當的地方均會產生噪音。超聲波焊機基本由電控系統、加壓系統以及聲學系統等組成。噪音的產生，主要集中在聲學系統，還有一部分來源于加壓系統。聲學系統主要有換能器、變幅桿和焊頭組成，換能器將電能轉換成機械能、然后變幅桿放大，最后通過與焊件幾何形狀匹配的焊頭傳遞給焊件。上述的機械能在焊件的接頭處轉化為熱能，從而熔化塑料，在壓力作用下形成接頭。在這一系列過程中，聲波傳輸在焊件處并沒有停止，還要通過底座，所有這些聲波傳輸都有可能是噪音的來源。

噪音的產生

聲學系統自身匹配
聲學系統（換能器、變幅桿、焊頭）三者通過螺栓連接，要求諧振工作且阻抗匹配。但由于聲學設計的粗糙性，要達到完全的阻抗匹配很難實現。目前最佳的設計是理論加經驗。當三者不匹配時，在界面上將產生能量的耗散及振動的不一致性，從而產生噪音。另外在實際的設計過程中，考慮到振幅的變換、阻抗匹配，有時三者的連接尺寸不盡相同（不等徑），暴露的界面將作為一種噪音源，向空中輻射超聲能量。

聲學系統的夾持
對于超聲焊接，焊接壓力是一個必需且非常重要的工藝參數。首先必須有壓力才能造成工件的接觸和聲波的耦合，更主要的是壓力決定著產熱、接頭的強度和應力狀態。一般焊接壓力由機架提供，與聲學系統的切入點是在聲學系統的振動節點上。一般選擇在變幅桿上，此點理論上振動速度為0。然而當設計不當或在焊接過程中聲學系統頻率隨工況變化時，變幅桿的節點將會發生飄移。此時夾持點的振動速度不等于0。這樣一方面降低了聲傳輸效率，另一方面由于高頻振動由夾持點導入到機架中，激勵起相關的振動，從而引發噪音出現。

聲學系統尺寸
焊頭的作用是將聲能有效地耦合進入所焊工件，因此它的形狀與尺寸除與焊機使用頻率直接相關外，還與工件上表面的幾何尺寸關系密切。如電話機手柄的焊接、大環的焊接，這些焊接所需要的焊頭尺寸一般均較大（大于波長的1/4）。這時在縱波傳播過程中，橫向振動必然被激發出來，從而產生混合振動。這種振動極易產生噪音。有時大環縫焊接的中空焊頭發出的空鳴也是噪音一大來源。

工件的設計
工件的空間形狀也影響著噪音的產生。研究發現，在焊接過程中，在超聲傳播的路徑上若有中斷現象，將會使焊件局部產生自由端面振動，這極利于噪音的產生。另外對于薄壁件（尤其是遠域焊，即焊頭與接頭位置相距較遠），接頭處不僅有縱向振動，而且還存在較大的橫向位移，激發出其它諧波，帶來噪音。

機架底座與工件固定
底座也是焊機中較為關鍵的部件，它的好壞直接影響到焊機的效率，同時也影響著噪音水平。在焊接過程中工件有時會發生相對滑動，這不僅影響了焊件的外觀質量，而且還引起較大的噪音，因此需要較好的固定裝置和彈性緩沖。尤其是對于難焊材料、使用焊接功率較大的情況下，這種振動噪音更加明顯。

噪音的防止

噪音來源于焊機聲學系統和焊件，因此為減小噪音污染需要合理的聲學系統設計和接頭形式設計。對于聲學系統，一方面夾持點需要彈性固定，同時聲學系統各部件以及各部件間需要平滑過渡；另一方面盡量減小聲學系統諧振頻率的變化。對于大尺寸焊頭，需要在焊頭上開鑿縱向狹縫，以減小橫向振動帶來的噪音。對于焊件，盡量減少遠域焊的接頭形式，同時注意盡量避免在聲傳輸通道上出現工藝孔等。實際上最有效的減小噪音的辦法是將焊機全封閉或焊接區封閉，這樣可以將噪音降低幾十分貝。

帶有隔音罩的超聲波塑料焊接機

超聲波焊接是一種有效的焊接方法，但噪音問題應該引起重視。噪音的產生主要由于聲學系統及焊件設計不合理造成的，因此對于聲學系統應盡量采用圓滑過渡、彈性夾持、大焊頭開槽等措施來減小聲能向外輻射發散。對于工件應注意盡量避免聲波中斷或遠域焊情況。在工作現場也可以通過焊機封閉或聲屏蔽的方法來減小噪音污染。

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