超聲波模具原理與超聲波模具設計

超聲波模具原理與超聲波模具設計　　

　　塑膠制品單面工件經(jīng)注塑機注塑成型后，必須用物理或化學方法跟另一面進行連接。超聲波焊接是高效、高質(zhì)和低耗的連接方法。也是目前應用最廣泛、最簡單快捷的連接方式?！　?/span>

　　超聲波焊接的原理是用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的15000Hz、20000Hz或更高頻率的機械能，通過調(diào)幅器及焊頭（Horn）傳遞到工件表面，使塑料件產(chǎn)生內(nèi)摩擦熱，從而使塑膠熔融連接。在此過程中，超聲波模具（Horn）是至關重要的部件之一。要將熱塑性材料焊接成一件好的工件就絕對離不開一個好的焊頭。好的焊頭必須經(jīng)專業(yè)工程師的精確設計，切勿認為設計一個焊頭也需要工程師是在小題大做。許多半懂不懂的山寨公司，只知道依葫蘆畫瓢地照抄別家公司的模具設計，最終產(chǎn)生非常不理想的焊接效果，甚至把客戶的機器損壞。使用一個加工設計不當或未經(jīng)過調(diào)諧的焊頭，將給客戶的生產(chǎn)帶來巨大的損失，既達不到良好的焊接效果，甚至會導致超聲波換能器和超聲波發(fā)生器的損壞。

　　　因此，對客戶的生產(chǎn)來說，找一家專業(yè)的公司，設計專業(yè)的匹配的超聲波模具是極端重要的。如何用最經(jīng)濟的方法設計出最適合你產(chǎn)品的模具是一門精深的學問，我們恒波超聲波公司傳承自德國的專業(yè)技術，有一大批訓練有素的專業(yè)設計師團隊為客戶解決這些問題。如果有需求，您可以登入我們公司網(wǎng)站（www.chaoshengbo.cc）,亦或直接通過撥打我們公司的電話咨詢（13510929282）。

　　超聲波模具的設計是超聲波技術中極具深度的，根據(jù)我們恒波超聲波設備有限公司從事超聲波領域研究十幾年的經(jīng)驗，我們工程師能夠根據(jù)客戶的要求將焊頭的聲學要求和機械特性完美的結合起來，設計出最符合客戶需求的產(chǎn)品。

一．超聲波模具材料的選擇

　　超聲波?模具要求金屬材料柔順性好，較低的阻抗，使聲波傳遞過程中能量損耗?。煌瑫r必須具有較好的抗疲勞強度。 常用的超聲波模具材料為鋁合金、鈦合金、鉬合金、不銹鋼或合金鋼。鈦合金模具耐磨且強度高，在多方面比鋁合金模具有優(yōu)勢，不管是模具的壽命還是產(chǎn)品焊接出來的效果，但鈦合金的價格昂貴，適合用于焊接要求高振幅或高耐磨性的產(chǎn)品。鋁合金模具耐磨損和抗疲勞強度都不如鈦合金，適合用來制作低振幅下的大塑件的焊接模具。不銹鋼和合金鋼的自身頻率損耗較大，會降低焊接模具的振幅，不常用來制作超聲波模具。但常用來作為塑件的金屬嵌件，用超聲波壓入塑件等等。

　　對于高振幅和高磨損場合，超聲波模具的工作段適宜使用金屬碳化物，如碳化鈦或鑲嵌碳化鎢。

　　材料本身的質(zhì)量對超聲波的傳播效率和耐磨程度具有至關重要的影響。 材料當中極小的孔隙，都會對模具質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。

二．超聲波模具的構造

　　超聲波焊頭通常設計成半波長的共振原件，以便使塑件接觸面獲得最大的振幅，從而把震動最大限度地傳遞到塑件的熔接線上，產(chǎn)生有效的熔接。半波長的超聲波模具的長度計算應根據(jù)該頻段的超聲波在該種模具材料中的傳遞速度以及超聲波頻率，計算出模具的大概長度。精確的長度還應該考慮模具的結構形狀對傳播速度的影響。設計模具時應盡可能利用并放大超聲波的縱向震動波，即模具的頂點運動方向與波的推進方向一致的波。振幅與振動方向垂直的橫向波，指點的運動不能有效傳播到塑件間的連接面，會分散降低有效縱波的能量，并使模具產(chǎn)生橫向抖動，從而產(chǎn)生不均勻的焊縫，大大影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量以及模具的使用壽命。另有一種曲線波，是縱向波與橫向波合成的，也是對焊接十分有害的。

　　正確的模具結構設計既要根據(jù)產(chǎn)品的外形做出準確的仿形，更要根據(jù)超聲波傳播的規(guī)律，盡可能利用并擴大縱向波的振幅，同時最大限度地抑制或消滅橫向波和曲波的存在。高明的設計師可以有效判斷超聲波的傳播規(guī)律，并找出最好的解決辦法。設計超聲波模具時，應該保持對稱的設計，以避免聲波傳遞的不對稱性導致的不均衡應力及橫向振動，不均衡振動會導致焊頭發(fā)熱及斷裂。

　　除了產(chǎn)品的外形和超聲波傳播的規(guī)律之外，產(chǎn)品的熔接線形狀、被焊接產(chǎn)品的材質(zhì)、結合面的位置、焊頭的距離以及產(chǎn)品焊接完成后的水氣密要求、強度要求等因素，也是超聲波模具設計需要考慮的重要問題。大的粗的熔接線，必須匹配高振幅的超聲波模具；彈性模量較大的剛性熱塑性塑料具有良好的可焊接性，比如PC、ABS、PS、SAN等等。彈性模量較小的柔軟塑料，自身會較多地損耗震動能量，焊接較困難，比如PP、pvc等等。難以熔接的被焊接產(chǎn)品，需要匹配大功率的機器和高振幅的超聲波模具；結晶性聚合物具有明顯的熔點，焊接時比無定形聚合物容易控制。結晶性聚合物傳遞超聲波能量較為困難，故無定形聚合物需要更多的焊接能量。模塑制品在成型中使用的填料、脫模劑、硬脂酸鋅和硅油等等也會影響焊接質(zhì)量，回收料（水口料）、降解塑料等也會影響焊接質(zhì)量。以上這些都是設計超聲波模具時需要考慮的因素。任何地方出錯，都有可能使焊接出來的產(chǎn)品不符合要求。有經(jīng)驗的超聲波模具設計師總會問清楚客戶這些方面的具體內(nèi)容，才著手設計，做到有的放矢，事半功倍。

　　采用合適的超聲波模具形狀和合理的振幅設計，可使焊接的產(chǎn)品達到水、氣密，實現(xiàn)高效清潔的熔接。

　　結合面的位置必須和焊頭那條中心軸垂直且平行于焊頭的前結合面。這些結合面必須處于同一水平線上。如果無法做到這些，那就是制造這臺機器的制造商的技術水平問題了。基本上焊頭與結合面的距離則越小越好。越遠則需要越大的振幅?；旧夏＞呱纤械倪吅徒嵌急仨毜菇?。建議至少倒角0.2到0.5毫米，這一點對于一些比較硬的塑料特別重要。

三．超聲波模具的振幅參數(shù)

　　振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數(shù)，相當于鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或?qū)е陆Y構破壞而強度變差。由于各個公司的超聲波線路及換能器性能不同，所輸出的震動幅度也各異。從而必須經(jīng)過適配不同變比的變幅桿及超聲波模具，才能夠校正超聲波模具的工作振幅，以符合需要產(chǎn)品的焊接要求。經(jīng)常用的換能器的輸出振幅約10—20μm，而超聲波模具工作振幅一般30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀、前后面積比等因素密切相關。指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等形狀，分別對變比產(chǎn)生不同的影響，前后面積比與總變比成正比。設計超聲波模具時，需要綜合考慮電箱的線路、變幅桿的形狀、變比等因素，以選擇合理的模具放大比。

四．超聲波模具頻率參數(shù)

　　每一臺超聲波焊接機都有一個中心頻率，焊接機的工作頻率主要由換能器、變幅桿、和焊頭的機械共振頻率所決定，發(fā)生器的頻率根據(jù)機械共振頻率調(diào)整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發(fā)生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，如一般設定為±0.5 KHz，在此范圍內(nèi)焊接機基本都能正常工作.我們制作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.80—20.00 KHz，控制誤差在5‰的范圍內(nèi)。

　　總體來說，不管是超聲波模具制造還是產(chǎn)品焊接，我們都必須根據(jù)客戶的原材料的特性及各種實際情況來操作，只有這樣，才能達到最令人滿意的焊接效果。