调幅器 - 超音波塑焊机

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Maxwide UlTrasonic
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超声波熔接工艺
Ultrasonic Welding
Technology
台湾明和超音波工业股份有限公司 www.dlgdmaxwide.com
什么是超声波熔接

超声波熔接是一种快捷,干净,有效的装配工艺,
用来装配处理热塑性塑料配件,及一些合成构件的
方法。目前被运用的塑胶制品与之间的粘结,塑胶
制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘
结!它取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺
是一种先进的装配技术!超声波熔接不但有连接装
配功能而且具有防潮、防水的密封效果。
超声波熔接的优点
 1.节能环保
 2.无需装备散烟散热的通风装置
 3.成本低,效率高
 4.容易实现自动化生产
 5.焊接强度高,粘接牢固
 6.焊点美观,可实现无缝焊接,防潮防水,气密性好
3
超声波熔接的工作原理
 超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前
50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能,供
应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动
能,调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的
焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种
声学装置!!
振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使塑胶
熔化, 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止,短暂
保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键,
整个周期通常是不到一秒种便完成,但是其焊接强度却接
近是一块连着的材料。
超声波熔接的工作原理
 如下图所示,振动能量从焊头传递到工件,工件之间的摩擦
产生的热量将工件熔接面熔化,从而焊接成一体。
焊头
HORN
振动能
工件
熔合
超声波熔接的工作原理
超声波熔接机的工作原理示意图
超声波熔接机工作原理图
电源
换能器
调幅器
焊头
进口的超声波熔接机介绍
No.1 明和超音波 MAXWIDE
其它:
 美国必能信公司Branson
Rinco
Sonitek
Dukane
常用的超声波熔接机(3000W
以下)
常用的超声波熔接机(3000W
以上)
常用的超声波熔接机(多头)
超声波熔接技术的应用
 1.熔接Welding
 2.铆接Staking
 3.埋植Insertion
 4.成型Swaging/Forming
 5.点焊Spot welding
 6.切除Degating
 7.其它用途Others
铆接-Staking
标准铆接方式-Standard Profile
Stake
圆盖铆接方式-Dome Stake
咬花成型铆接方式-Knurled
Stake
平头铆接方式-Flush Stake
中空铆接方式-Hollow Stake
高压铆接方式-High Pressure
Stake
埋植-Insertion
成型-Swaging/Forming
点焊-Spot Welding
切除-Degating
超声波熔接适用的材料
 哪些材料可以用超声波来焊接呢?
 由超声波的工作原理我们可以知道,超声波的实际功率并不大,工作时
间短,所以产生的热量有限,所以一般只适用于一些熔点较低(400℃ 以
下)的材料。主要以热塑性的聚合物即塑料为主。我们主要了解一下各种
塑料的熔接特性。一般来说,聚合物的熔点越高,其焊接所需的超音波
能量越多。材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。
总的说来,愈硬的材料其传导力愈强。
影响超声波熔接能量的因素
影响超声波熔接能量的因素
 由前面的公式中我们可以看到影响超声波熔接的能量的因素有哪些。其具体表现
有哪些呢?
 1.气压 我们可以通过调压阀来调整,一般来说气压越大,能量越大
 2.下降速度超声波熔接机上有相应的旋钮,一般来说,下降速度越大,
 能量越大
 3.频率超声波熔接机器都有固定的频率,频率越大,能量越大
 4.振幅振幅的变化因素比较多,就一般来说,振幅的调整可以通过
 调幅器和焊头的设计来达到
 5.时间我们可以调整焊接机的焊接时间,时间越长,焊接的能量越大
 6.保压时间保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间,时间越长,
 形成的焊点越稳定,变形越小
影响超声波熔接能量的因素
 让我们回顾一下之前的超声波熔接机的工作原理图。
超声波熔接机工作原理图
电源
换能器
调幅器
焊头
影响超声波熔接能量的因素(频
率)
换能器Converter
作用:将电能转换成机械能
组成:陶瓷晶片和传动头
原理:电流经过换能器,令换能器内产生电磁振荡,
再经过压电陶瓷片,令压电陶瓷片产生振动,振
动经过金属头,传到调幅器
表面振幅:20KHz = 0.02mm
 30KHz = 0.015mm
 40KHz = 0.01mm
换能器的工作原理—磁伸缩
磁伸缩( Magnetostrictive Principle )
影响超声波熔接能量的因素(调
幅器)
调幅器(Booster)
影响超声波熔接能量的因素(焊
头)
焊头(Horn)
影响超声波熔接能量的因素(焊
头)
 焊头通常是一个半波长的共振金属块,将振动能量传递到
工件上
 焊头的材料一般选择钛合金,铝合金以及钢铁
 焊头还可以根据需要进行以下的处理:
 高碳钢嵌入
 阳极处理
 镀铬
雕刻成型焊头-Contour Machined
Horn
全波长焊头-Full Wave Horn
复合式焊头-Composite Horn
加装压板的焊头-Plunger On
Horn
真空焊头-Vaccum Horn
切削焊头-Cutting Horn
影响超声波熔接能量的因素(振
幅)
超声波熔接夹具---底模
(Fixture)
 在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑,这也是非常
重要的。固定的夹具称之为底模。
 底模的设计主要要考虑以下几点:
 1.工件吻合这就要求定位准确且牢固,使得工件在焊接的
过
 程中不会移动
 2.工件支撑要求支撑稳固,不然振幅会被消弱
 3.定位及取放方便缩短工作时间,提高生产率
 4.其它特殊要求
底模1
底模2
超声波熔接机参数调校
以MAXWIDE 1526机型例
基本调整程序如下
调幅器选择 焊头调谐
焊头——工件——底模之间的校准
调整:行程速度
下降时间
机械式止动器
调整:焊接压力
焊接时间
保压时间
被焊工件
负载监控表
负载
过载
20%至95%
过载时候
压力较高
减低下降速度
降低动力触发值
用较低比例的调幅器
使用功率更大的焊机
工件的检查或试验
欠佳
良好
焊接不充分
增加焊接时间和压力
采用更高比例的调幅器
焊接过度
减少焊接时间或降低压力
采用较低比例的调幅器
参数记录
调幅器的选择
 焊接面积-----面积越大,需要振幅越高
 工件材料-----PP/PE/尼龙等较难焊的晶型树脂,需要的振
幅较高
 工件构造-----工件有细长的柱子或薄片等容易振裂的,应
采用
 较弱的振幅
调谐器的选择
 能源供应部份必须调谐得与换能器、变幅杆(调幅器)、
焊头的每种组合相配合
 正常情况:测试时,负载表的读数应少于20%
 异常情况:负载大于20%
 应检查:A焊头是否锁紧?
 B连接螺杆是否完好?
 C连接面是否清洁?
 D焊头是否有裂痕(用油涂于表面,测试音波时,
 可见到裂痕位置
对位与行程
对位
 焊头、工件与底模之间的对位
 工件放于底模,将气压放掉,焊头用力往下拉,对准接触面
 然后将底模在底板上固定好
行程
 以方便取放工件为宜
切记不能将焊头直接接触底模或底板的金
属等硬质材料,很可能会导致换能器的破
坏。
压力
 1.压力过低,会延长焊接时间,使工件表面产生疤痕
 或质量不佳
 2.压力过高,会使工件破裂,使界面结合欠佳,
 甚至过载,而终止超声
焊接时间与保压时间
 1.过长的焊接时间,会产生飞边或质量下降,特别是严格密
封的
 场合下,更要注意,
 2.过长的焊接时间,会使工件偏离焊接区、表面熔化或破
裂,
 特别是有孔部位、模合线上或头角处。
 3.一般0.3S~0.5S,在有弹力装置、材料熔点高或材料有弹
 性时,要加大保压时间。如:PP/PE等。
动力触发器
 用来控制超声波发出的时间
 旋钮刻度为1~23,刻度越大,压力越大,范围67N~734N
 除非要克服变形或需要压缩(弹簧、膜片、密封件)的元
件,
 使用较高的触发压力外,一般都使用较低的触发压力1~5
一般开始参数
 设置时,一般由小到大的原则
 每次调整一种参数
 压力表:20
触发压力:1~5

焊接时间:0.5S
下降速度:1~5

保压时间:1S
超声波熔接结构设计
 超声波的熔接结构主要有两种:
 1.导熔线Energy Director
 2.剪切Shear
 其中导熔线是最常用的一种结构,也是相对比较稳定的一
种结构,剪切的结构就相对比较难以控制。
超声波熔接结构设计—— 导熔
线
 导熔线是在两个熔接面之一上形成一条三角形的凸出材料,
它的的基本作用是聚集能量,使之可以尽快达到熔解的温
度,从而得到更好的熔接效果。导熔线的基本设计如下图
所示,实际应用时可根据具体要求改变。
非结晶聚合物
半结晶聚合物
超声波熔接结构设计—— 导熔
线
 导熔线的优点主要有:
 1.增加熔接强度
 2.减少溢胶
 3.减少熔接时间
 4.需要较小的振幅
 导熔线的设计主要有以下几种:
阶梯型导熔线-Step Joint
 阶梯型导熔线主要用于外观上需要精确对位以及不溢胶的
设计
沟槽型导熔线- Tongue &
Groove
 沟槽型导熔线主要用于双边不溢胶且能提供对位的功能设
计,其也具备一定的防水功能。
十字交叉型导熔线-Criss-Cross
 十字交叉型导熔线是一组导熔线相互垂直交叉,能缩短熔
接时间,减少熔接功率,增加熔接强度,但是容易产生段
差及溢胶
间断式
连续式
垂直墙壁型导熔线
 垂直墙壁型导熔线可以增加抗撕裂力以及减少溢胶。
间断型导熔线-Interrupted Energy Director
 间断型导熔线可以减少溢胶以及焊接能量,但是会降低焊接
的强度。
凿子型导熔线-Knife Edge With Texture Surface
 凿子型导熔线适用于壁厚较薄的零件,但是会降低焊接的
强度。
咬花导熔面
 咬花导熔面主要用于增强熔接强度,如下图所示
防水的导熔线结构
 防水的导熔线结构主要用于增加气密性,如下图所示,
密封圈
剪切型熔接面
 剪切型熔接熔接过程是,首先熔化开始接触的小面积材料,
然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引到工件里头去。
如图所示
剪切型熔接面
 剪切型熔接的优点:
 1.熔接强度高,气密性好。
 2.适合所有的塑胶材料,特别是具提早固体特性的半结晶
性塑胶
 剪切型熔接的缺点
 1.不适用形状复杂或者有直角的转角的结构
 2.熔接需要坚固的侧边墙壁支撑,不然会变形。
 3.需要较大的振幅及功率,只适用于小一点的工件
剪切型熔接面
 剪切型熔接的熔接深度一般为1.25W(壁厚)最小为0.5W 最
大为1.75W,干涉量见下表
超声波熔接设计中应注意的问题
 超声波熔接应避免以下的设计
超声波熔接设计中应注意的问题
焊头与工件的接触面积越大越好,如果小于熔接区域的面积,会
很容易导致表面伤痕。
超声波熔接设计中应注意的问题
 远场与近场熔接
 近场熔接指的是熔接面距离焊头接触面的位置在6.356mm
以内,大于6.356mm的称为远场熔接。一般尽可能避免远
场熔接
近场熔接
远场熔接
超声波熔接设计中应注意的问题
 薄膜效应
 在平的圆型的,壁厚薄的位置容易产生胶件烧穿的现象。
解决措施如下:
 1.减少熔接时间
 2.改变振幅或频率,并进行振幅剖析
 3.增加壁厚
 4.工件内部增加支撑肋
 5.焊头上设计节点活塞
超声波熔接设计中应注意的问题
 其他应考虑的问题:
 1.熔接的部位不得有涂装,电镀等表面处理。
 2.增加导熔槽,避免溢胶。
案例分析
焊头
前盖
PC+玻纤
镜片
PMMA
超声波熔接的局限性与危害
 超声波虽然有这么多优点,也有它的一些局限性和危害:
 1.对于工件的材料有限制。
 2.功率不大,限制了熔接的面积。
 3.目前超音波熔接对超音机的调机技术,以及超音波操作
者的细心程度都有很大的依赖性。
 4.超声波熔接是破坏性的焊接,不可以重工
 5.超声波对于人的听力有伤害,应准备好劳保用品。
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