超聲波焊接機(jī)工作原理及調(diào)試方法

超聲波焊接機(jī)工作原理：

我們知道正確的波的物理定義是：振動(dòng)在物體中的傳遞形成波。這樣波的形成必須有兩個(gè)條件：一是振動(dòng)源，二是傳播介質(zhì)。波的分類一般有如下幾種：一是根據(jù)振動(dòng)方向和傳播方向來分類。當(dāng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直時(shí)，稱為橫波。當(dāng)振動(dòng)方向與傳播方向一致時(shí)，稱為縱波。二是根據(jù)頻率分類，我們知道人耳敏感的聽覺范圍是20HZ-20000HZ，所以在這個(gè)范圍之內(nèi)的波叫做聲波。低于這個(gè)范圍的波叫做次聲波，超過這個(gè)范圍的波叫超聲波。

波在物體里傳播，主要有以下的參數(shù)：一是速度V，二是頻率F，三是波長λ。三者之間的關(guān)系如下：V=F.λ。波在同一種物質(zhì)中傳播的速度是一定的，所以頻率不同，波長也就不同。另外，還需要考慮的一點(diǎn)就是波在物體里傳播始終都存在著衰減，傳播的距離越遠(yuǎn)，能量衰減也就越厲害，這在超聲波加工中也屬于考慮范圍。

1、 超聲波在塑料加工中的應(yīng)用原理：

塑料加工中所用的超聲波，現(xiàn)有的幾種工作頻率有15KHZ，18KHZ，20KHZ，40KHZ。其原理是利用縱波的波峰位傳遞振幅到塑料件的縫隙，在加壓的情況下，使兩個(gè)塑料件或其它件與塑料件接觸部位的分子相互撞擊產(chǎn)生融化，使接觸位塑料熔合，達(dá)到加工目的。

2、 超聲波焊機(jī)的組成部分和原理

超聲波焊接機(jī)主要由如下幾個(gè)部分組成：發(fā)生器、氣動(dòng)部分、程序控制部分，換能器部分。

發(fā)生器主要作用是將工頻50HZ的電源利用電子線路轉(zhuǎn)化成高頻（例如20KHZ）的高壓電波。

氣動(dòng)部分主要作用是在加工過程中完成加壓、保壓等壓力工作需要。

程序控制部分控制整部機(jī)器的工作流程，做到一致的加工效果。

換能器部分是將發(fā)生器產(chǎn)生的高壓電波轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)過傳遞、放大、達(dá)到加工表面。

現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用較多的發(fā)生器一般有兩種：一種是以美國BRANSON公司為代表，所采用的橋式功放電路，保護(hù)電路采用相位保護(hù)，工作頻率一般為20KHZ。其優(yōu)點(diǎn)是電轉(zhuǎn)換效率高，缺點(diǎn)是頻率調(diào)節(jié)電感調(diào)節(jié)范圍窄，頻率跟蹤性能較差。另一個(gè)缺點(diǎn)是功率不可能做得很大，最大也就是3KW左右；另一種是臺(tái)灣型機(jī)器，普遍采用B類功放、過流保護(hù)、橋式反饋。優(yōu)點(diǎn)是功率可以做得較大（如4.2KW），頻率跟蹤性能好，大功率情況下一般采用15KHZ的工作頻率。缺點(diǎn)是電轉(zhuǎn)化效率較低，15KHZ的工作頻率是人耳所能聽到的，反映出噪聲較大；另外還有瑞士、德國、日本的采用頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)的機(jī)器。因其價(jià)格較高 ，國內(nèi)并不常見。

換能器部分由三部分組成：換能器（TRANSDUCER）；增幅器（又稱二級桿、變幅桿，BOOSTER）；焊頭（又稱焊模，HORN或SONTRODE）。

①換能器(TRANSDUCER)：換能器的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)有兩種物理效應(yīng)可以應(yīng)用。

A：磁致伸縮效應(yīng)。

B：壓電效應(yīng)的反效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)在早期的超聲波應(yīng)用中較常使用，其優(yōu)點(diǎn)是可做的功率容量大；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率低，制作難度大，難于大批量工業(yè)生產(chǎn)。自從朗之萬壓電陶瓷換能器的發(fā)明，使壓電效應(yīng)反效應(yīng)的應(yīng)用得以廣泛采納。壓電陶瓷換能器具有轉(zhuǎn)換效率高，大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制作的功率容量偏小?，F(xiàn)有的超聲波機(jī)器一般都采用壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷換能器是用兩個(gè)金屬的前后負(fù)載塊將壓電陶瓷夾在中間，通過螺桿緊密連接而制成的。通常的換能器輸出的振幅為10μm左右。

②變幅桿（BOOSTER）：變幅桿本身就是一條金屬柱，通過形狀的設(shè)計(jì)，可以將換能器傳遞過來的振幅進(jìn)行放大，達(dá)到加工塑料件所需能量振幅，相當(dāng)于加熱的溫度，如我們常用的ABS、AS塑料所需的加工振幅為20μm左右；尼龍、聚丙稀所需的加工振幅為50μm左右。

③焊頭（HORN）：焊頭的作用是對于特定的塑料件制作，符合塑料件的形狀、加工范圍等要求。

換能器、變幅桿、焊頭均設(shè)計(jì)為所工作的超聲頻率的半波長，所以它們的尺寸和形狀均要經(jīng)過特別的設(shè)計(jì)；任何的改動(dòng)均可能引致頻率、加工效果的改變，它們需專業(yè)制作。耐用根據(jù)所采用的材料不同，尺寸也會(huì)有所不同。適合做超聲波的換能器、變幅桿和焊頭的材料有：鈦合金、鋁合金、合金鋼等。由于超聲波是不停地以20KHZ左右高頻振動(dòng)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、超聲波焊接機(jī)的參數(shù)及調(diào)節(jié)方法：

一般的超聲波焊接機(jī)上有如下的參數(shù)是可以調(diào)節(jié)的：

A：超聲波發(fā)生器上的調(diào)諧旋鈕：這是超聲波焊機(jī)最關(guān)鍵的一個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。其調(diào)節(jié)目的是使超聲波發(fā)生器所發(fā)出的高壓電信號(hào)頻率同換能器部分的機(jī)械諧振頻率一致。方法是輕觸測試開關(guān)、左右設(shè)防該旋鈕，使負(fù)載指示的電流為最小，即可完成調(diào)諧步驟。

B：振幅檔：此旋鈕有些機(jī)種上沒有這個(gè)旋鈕，其功能是通過調(diào)節(jié)發(fā)生器的輸出電壓，達(dá)到高速輸出振幅的目的。

C：氣動(dòng)部分：包括調(diào)速器、氣壓調(diào)節(jié)旋鈕。調(diào)速器用于調(diào)節(jié)氣缸的上、下速度。氣壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)工作氣壓。

D：熔接時(shí)間（WELD TIME）：用于調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射的時(shí)間，一般的塑料件熔接時(shí)間為 0.6S以下，通常超過1.5S熔接時(shí)間均可視作失敗熔接（可視作振幅不夠，或設(shè)計(jì)不合理）。

E：保壓時(shí)間（HOLD TIME）：保壓時(shí)間相當(dāng)于加工塑料件之后的固化時(shí)間，通常如果塑料件的固定位設(shè)置得好，此時(shí)間可不用考慮，如果塑料件內(nèi)部有彈簧等部件，該時(shí)間應(yīng)相應(yīng)調(diào)長。

F：觸發(fā)調(diào)節(jié)：觸發(fā)調(diào)節(jié)有兩種方式，一種是延時(shí)觸發(fā)。這種調(diào)節(jié)一般指示為延遲時(shí)間（DELAY TIME）。其所指為從觸發(fā)機(jī)器開始到超聲波發(fā)射為止的時(shí)間。通過調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)先發(fā)射超聲波再熔接，或先壓緊塑料件再觸發(fā)超聲波。另一種是壓力觸發(fā)。這種觸發(fā)方式常見于美國BRANSON 8400和8700形式的超聲波焊接機(jī)中，其原理是調(diào)節(jié)壓緊塑料件的力度來觸發(fā)超聲波。對于較大的塑料件，為防止起振失敗，多采用先觸發(fā)超聲波再熔接，或以較小的觸發(fā)力度

調(diào)試方法

一、超音波熔接后，移位了怎么辦？
　　《解決方法》
　　1.降低熔接壓力。
　　2.底模加高，使其超過熔接線 2mm 以上。
　　3.使用超音波傳導(dǎo)熔接。
　　4.上模（HRON）壓到產(chǎn)品才發(fā)振。
　　5.修改塑料產(chǎn)品，增強(qiáng)定位。

二、超音波熔接后，產(chǎn)生傷痕（斷、震裂、燙傷）怎么辦？
　　《解決方法》
　　1.降低壓力。
　　2.減少延遲時(shí)間（提早發(fā)振））。
　　3.減少熔接時(shí)間。
　　4.引用介質(zhì)覆蓋（如ＰＥ袋）。
　　5.模治具表面處理（硬化或鍍鉻）。
　　6.機(jī)臺(tái)段數(shù)降低或減少上模擴(kuò)大比。
　　7.易震裂或斷之產(chǎn)品，治具宜制成緩沖，如軟性樹脂或覆蓋軟木塞等（此項(xiàng)指不影響熔接強(qiáng)度）。
　　8.易斷裂產(chǎn)品于直角處加Ｒ角。

三、超音波熔接后，發(fā)現(xiàn)變形扭曲怎么辦？
　　《解決方法》
　　1.降低壓力（壓力最好在 2kg 以下）。
　　2.減少超音波熔接時(shí)間（降低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)）。
　　3.增加硬化時(shí)間（至少 0.8 秒以上）。
　　4.分析超音波上下模是否可局部調(diào)整（非必要時(shí)）。
　　5.分析產(chǎn)品變形主因，予以改善。

四、超音波熔接后，內(nèi)部零件破壞怎么辦？
　　《解決方法》
　　1.提早超音波發(fā)振時(shí)間（避免接觸發(fā)振）。
　　2.降低壓力、減少超音波熔接時(shí)間（降低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)）。
　　3.減少機(jī)臺(tái)功率段數(shù)或小功率機(jī)臺(tái)。
　　4.降低超音波模具擴(kuò)大比。
　　5.底模受力處墊緩沖橡膠。
　　6.底模與制品避免懸空或間隙。
　　7.HORN（上模）逃孔后重測頻率。
　　8.上模逃孔后貼上富彈性材料（如硅利康）。

五、超音波熔接后，產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)毛邊或溢料怎么辦？
　　《解決方法》
　　1.降低壓力、減少超音波熔接時(shí)間（降低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)）。
　　2.減少機(jī)臺(tái)功率段數(shù)或小功率機(jī)臺(tái)。
　　3.降低超音波模具擴(kuò)大比。
　　4.使用超音波機(jī)臺(tái)微調(diào)定位固定。
　　5.修改超音波導(dǎo)熔線。

六、超音波熔接后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定怎么辦？
　　《對策》
　　1.增加熔接安全系數(shù)（依序由熔接時(shí)間、壓力、功率）。
　　2.啟用微調(diào)固定螺絲（應(yīng)可控制到 0.02mm）。
　　3.檢查超音波上模輸出能量是否足夠（不足時(shí)增加段數(shù)）。
　　4.檢查治具定位與產(chǎn)品承受力是否穩(wěn)合。
　　5.修改超音波導(dǎo)熔線。

七、超音波熔接后時(shí)，總是單邊燙傷怎么辦？
　　《解析》
　　超音波振動(dòng)熔接，并非單純直線縱向振動(dòng)（撓曲與橫向振動(dòng)不在此討論），而是形成交叉式縱向下降振動(dòng)，而上模超音波輸出端能量亦是有一定的強(qiáng)弱分布點(diǎn)，氣壓、電壓、機(jī)臺(tái)雖決定功率輸出能量的穩(wěn)定性，但能量分布點(diǎn)亦呈現(xiàn)比例性增減，如果發(fā)現(xiàn)超音波熔接時(shí)制品總是單點(diǎn)燙傷，即表示上模該點(diǎn)輸