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超声波塑料焊接的基本原理
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一、超声波应用原理

我们知道正确的波的物理定义是:振动在物体中的传递形成波。这样波的形成必须有两个条件:一是振动源,二是传播介质。波的分类一般有如下几种:一是根据振动方向和传播方向来分类。当振动方向与传播方向垂直时,称为横波。当振动方向与传播方向一致时,称为纵波。二是根据频率分类,我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ,所以在这个范围之内的波叫做声波。低于这个范围的波叫做次声波,超过这个范围的波叫超声波。

波在物体里传播,主要有以下的参数:一是速度V,二是频率F,三是波长λ。三者之间的关系如下:V=F.λ。波在同一种物质中传播的速度是一定的,所以频率不同,波长也就不同。另外,还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减,传播的距离越远,能量衰减也就越厉害,这在超声波加工中也属于考虑范围。

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

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。

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。

3.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)。

    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。

    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。

二:超声波工作原理

热可塑性塑料的超声波加工,是利用工作接面间高频率的摩擦而使分子间急速产生热量,当此热量足够熔化工作时,停止超声波发振,此时工件接面由熔融而固化,完成加工程序。

通常用于塑料加工的频率有20KHZ和15KHZ,其中20KHZ仍在人类听觉之外,故称为超声波,但15KHZ仍在人类听觉范围只内。

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