超声波焊接机的工作原理

~ 超声波焊接机工作原理：
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。
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、日本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。
3、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（WELDTIME）：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（HOLDTIME）：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（DELAYTIME）。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BRANSON8400和8700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
调试方法
一、超音波熔接后，移位了怎么办？
《解决方法》
1.降低熔接压力。
2.底模加高，使其超过熔接线2mm以上。
3.使用超音波传导熔接。
4.上模（HRON）压到产品才发振。
5.修改塑料产品，增强定位。
二、超音波熔接后，产生伤痕（断、震裂、烫伤）怎么办？
《解决方法》
1.降低压力。
2.减少延迟时间（提早发振））。
3.减少熔接时间。
4.引用介质覆盖（如PE袋）。
5.模治具表面处理（硬化或镀铬）。
6.机台段数降低或减少上模扩大比。
7.易震裂或断之产品，治具宜制成缓冲，如软性树脂或覆盖软木塞等（此项指不影响熔接强度）。
8.易断裂产品于直角处加R角。
三、超音波熔接后，发现变形扭曲怎么办？
《解决方法》
1.降低压力（压力最好在2kg以下）。
2.减少超音波熔接时间（降低强度标准）。
3.增加硬化时间（至少0.8秒以上）。
4.分析超音波上下模是否可局部调整（非必要时）。
5.分析产品变形主因，予以改善。
四、超音波熔接后，内部零件破坏怎么办？
《解决方法》
1.提早超音波发振时间（避免接触发振）。
2.降低压力、减少超音波熔接时间（降低强度标准）。
3.减少机台功率段数或小功率机台。
4.降低超音波模具扩大比。
5.底模受力处垫缓冲橡胶。
6.底模与制品避免悬空或间隙。
7.HORN（上模）逃孔后重测频率。
8.上模逃孔后贴上富弹性材料（如硅利康）。
五、超音波熔接后，产品发现毛边或溢料怎么办？
《解决方法》
1.降低压力、减少超音波熔接时间（降低强度标准）。
2.减少机台功率段数或小功率机台。
3.降低超音波模具扩大比。
4.使用超音波机台微调定位固定。
5.修改超音波导熔线。
六、超音波熔接后，发现产品尺寸不稳定怎么办？
《对策》
1.增加熔接安全系数（依序由熔接时间、压力、功率）。
2.启用微调固定螺丝（应可控制到0.02mm）。
3.检查超音波上模输出能量是否足够（不足时增加段数）。
4.检查治具定位与产品承受力是否稳合。
5.修改超音波导熔线。
七、超音波熔接后时，总是单边烫伤怎么办？
《解析》
超音波振动熔接，并非单纯直线纵向振动（挠曲与横向振动不在此讨论），而是形成交叉式纵向下降振动，而上模超音波输出端能量亦是有一定的强弱分布点，气压、电压、机台虽决定功率输出能量的稳定性，但能量分布点亦呈现比例性增减，如果发现超音波熔接时制品总是单点烫伤，即表示上模该点输出能量与产品该点形成应力对应，此时若改变超音波振动面的接触点，将可改善热能集束产生的烫伤。
《解决方法》
1.本方法仅适用平面上模。
2.模具表面处理（镀铬或硬化阳极）－仍无效。
3.覆盖塑料袋－仍无效。
4.上模旋转180度。

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