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超声波焊接原理与影响超声波焊接效果的因素
 

影响塑料件超声波加工的因素如下:

  (1)、接触面的设计      (2)、焊接线的设计 (3)塑料材质
  (4)塑料件外形和尺寸  (5)焊接面与焊头之间距离

     (6)超声波焊头的设计   (7)焊头的振幅    (8)校模的准确性

     (9)焊接压力、时间参数的选择

影响超声波焊接的因素

   
  1、超声波在塑料加工中的应用原理:


  塑料加工中所用的超声波,现有的几种工作频率有15KHZ,18KHZ,20KHZ,40KHZ。其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙,在加压的情况下,使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化,使接触位塑料熔合,达到加工目的。

  2、超声波焊接机的组成部分和原理

  超声波焊接机主要由如下几个部分组成:发生器、气动部分、程序控制部分,换能器部分。超声波发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频(例如20KHZ)的高压电波。气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。程序控制部分控制整部机器的工作流程,做到一致的加工效果。换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动,经过传递、放大、达到加工表面。

  现在国内应用较多的发生器一般有两种:一种是以美国BRANSON公司为代表,所采用的桥式功放电路,保护电路采用相位保护,工作频率一般为20KHZ。其优点是电转换效率高,缺点是频率调节电感调节范围窄,频率跟踪性能较差。另一个缺点是功率不可能做得很大,最大也就是3KW左右;另一种是台湾型机器,普遍采用B类功放、过流保护、桥式反馈。优点是功率可以做得较大(如4.2KW),频率跟踪性能好,大功率情况下一般采用15KHZ的工作频率。缺点是电转化效率较低,15KHZ的工作频率是人耳所能听到的,反映出噪声较大;另外还有瑞士、德国、倭国的采用频率自动跟踪技术的机器。因其价格较高 ,国内并不常见。换能器部分由三部分组成:换能器(TRANSDUCER);增幅器(又称二级杆、变幅杆,BOOSTER);焊头(又称焊模,HORN或SONTRODE)。

  ①换能器(TRANSDUCER):换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。将电信号转换成机械振动信号有两种物理效应可以应用。A:磁致伸缩效应。B:压电效应的反效应。磁致伸缩效应在早期的超声波应用中较常使用,其优点是可做的功率容量大;缺点是转化效率低,制作难度大,难于大批量工业生产。自从朗之万压电陶瓷换能器的发明,使压电效应反效应的应用得以广泛采纳。压电陶瓷换能器具有转换效率高,大批量生产等优点,缺点是制作的功率容量偏小。现有的超声波机器一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用两个金属的前后负载块将压电陶瓷夹在中间,通过螺杆紧密连接而制成的。通常的换能器输出的振幅为10μm左右。

  ②变幅杆(BOOSTER):变幅杆本身就是一条金属柱,通过形状的设计,可以将换能器传递过来的振幅进行放大,达到加工塑料件所需能量振幅,相当于加热的温度,如我们常用的ABS、AS塑料所需的加工振幅为20μm左右;尼龙、聚丙稀所需的加工振幅为50μm左右。

  ③焊头(HORN):焊头的作用是对于特定的塑料件制作,符合塑料件的形状、加工范围等要求。

  换能器、变幅杆、焊头均设计为所工作的超声频率的半波长,所以它们的尺寸和形状均要经过特别的设计;任何的改动均可能引致频率、加工效果的改变,它们需专业制作。耐用根据所采用的材料不同,尺寸也会有所不同。适合做超声波的换能器、变幅杆和焊头的材料有:钛合金、铝合金、合金钢等。由于超声波是不停地以20KHZ左右高频振动的,所以材料的要求非常高,并不是普通的材料所能承受的。


 

超声波焊接原理


4、超声波焊接机的参数及调节方法:

  一般的超声波焊接机上有如下的参数是可以调节的:

  A:超声波发生器上的调谐旋钮:这是超声波焊机最关键的一个调节旋钮。其调节目的是使超声波发生器所发出的高压电信号频率同换能器部分的机械谐振频率一致。方法是轻触测试开关、左右设防该旋钮,使负载指示的电流为最小,即可完成调谐步骤。

  B:振幅档:此旋钮有些机种上没有这个旋钮,其功能是通过调节发生器的输出电压,达到高速输出振幅的目的。

  C:气动部分:包括调速器、气压调节旋钮。调速器用于调节气缸的上、下速度。气压调节旋钮调节工作气压。

  D:熔接时间(WELD TIME):用于调节超声波发射的时间,一般的塑料件熔接时间为 0.6S以下,通常超过1.5S熔接时间均可视作失败熔接(可视作振幅不够,或设计不合理)。

  E:保压时间(HOLD TIME):保压时间相当于加工塑料件之后的固化时间,通常如果塑料件的固定位设置得好,此时间可不用考虑,如果塑料件内部有弹簧等部件,该时间应相应调长

  F:触发调节:触发调节有两种方式,一种是延时触发。这种调节一般指示为延迟时间(DELAY TIME)。其所指为从触发机器开始到超声波发射为止的时间。通过调节,可实现先发射超声波再熔接,或先压紧塑料件再触发超声波。另一种是压力触发。这种触发方式常见于美国BRANSON形式的超声波焊接机中,其原理是调节压紧塑料件的力度来触发超声波。对于较大的塑料件,为防止起振失败,多采用先触发超声波再熔接,或以较小的触发力度。

  5、塑料件材料对超声波焊接的影响

  超声波在塑料件中传播,塑料件或多或少对超声波能量有吸收和衰减,从而对超声加工效果产生一定的影响,塑料一般有非晶体材料之分,按硬度有硬胶和软胶之分,还有模数的区分,通俗地来说,硬度高,低熔点的塑料超声加工性能优于硬度低、高熔点的塑料。因此,这就牵涉到超声波加工距离的远近问题,详见第7节远、近距离焊接。


 

影响超声波焊接效果的因素


  6、塑料件的加工条件对超声焊接的影响

  塑料件经过注塑、挤压或吹塑等的不同加工形式以及不同的加工条件都会形成对超声焊接产生一定影响的因素。

  A:湿度缺陷:湿度缺陷一般在制作有条纹或疏松的塑料件过程中形成,湿度缺陷在焊接中衰减有用能量,使密封位渗水,加长焊接时间,所以湿度高的塑料件在焊接前要作烘干处理。如聚甲醛等。

  B:注塑过程的影响:

  注塑过程参数的调整会引致如下缺陷:

  ①尺寸变化(收缩、弯曲变形)

  ②重量变化

  ③表面损伤

  ④统一性不佳

  C:保存期:塑料件注塑加工出来后,一般最少放置24小时后,再进行焊接,以消除塑料件本身应力、变形等因素。无定形塑料通过注塑出来的塑料件可不按此要求。

  D:再生塑料

  再生塑料的强度比较差,对超声波焊接适应性也较差,所以如用再生塑料,各种设计尺寸均要酌情加以考虑。

  E:脱模剂和杂质

  脱模剂和杂质对超声波焊接有一定的影响。虽然超声波加工时可将加工表面的溶剂、杂质等震开,但对于要求密封、或在高强度的情况下,应尽可能去除。在有些情况下,先清洗塑料件是必要的。

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