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超聲波點焊機的工作原理

我們知道正確的波的物理定義是:振動在物體中的傳遞形成波。這樣波的形成必須有兩個條件:一是振動源,二是傳播介質。超聲波機的分類一般有如下幾種:一是根據振動方向和傳播方向來分類。當振動方向與傳播方向垂直時,稱爲橫波。

當振動方向與傳播方向一致時,稱爲縱波。二是根據頻率分類,我們知道人耳敏感的聽覺範圍是20HZ-20000HZ,所以在這個範圍之內的波叫做聲波。低于這個範圍的波叫做次聲波,超過這個範圍的波叫超聲波。

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


  1、 超声波在塑料加工中的应用原理:

  塑料加工中所用的超聲波,現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,使兩個塑料件或其它件與塑料件接觸部位的分子相互撞擊産生融化,使接觸位塑料熔合,達到加工目的。

  2、 超聲波點焊機的组成部分和原理

  超聲波焊接機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。

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

  氣動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器的工作流程,做到一致的加工效果。

  換能器部分是將發生器産生的高壓電波轉換成機械振動,經過傳遞、放大、達到加工表面。

  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,比较大也就是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。

  換能器部分由三部分組成:換能器(TRANSDUCER);增幅器(又稱二級杆、變幅杆,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轉換成機械振動信號。將電信號轉換成機械振動信號有兩種物理效應可以應用。

  A:磁致伸縮效應。

  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。现有的超聲波機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變幅杆(BOOSTER):變幅杆本身就是一條金屬柱,通過形狀的設計,可以將換能器傳遞過來的振幅進行放大,達到加工塑料件所需能量振幅,相當于加熱的溫度,如我們常用的ABS、AS塑料所需的加工振幅爲20μm左右;尼龍、聚丙稀所需的加工振幅爲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、加工範圍等要求。

  換能器、變幅杆、焊頭均設計爲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過特別的設計;任何的改動均可能引致頻率、加工效果的改變,它們需專業制作。耐用根據所采用的材料不同,尺寸也會有所不同。適合做超聲波的換能器、變幅杆和焊頭的材料有:钛合金、鋁合金、合金鋼等。由于超聲波是不停地以20KHZ左右高頻振動的,所以材料的要求非常高,並不是普通的材料所能承受的。

  3、超聲波焊接機的参数及调节方法:

  一般的超聲波焊接機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:这是超声波焊机关键的一个调节旋钮。其调节目的是使超聲波機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相对比较小,即可完成调谐步骤。

  B:振幅檔:此旋鈕有些機種上沒有這個旋鈕,其功能是通過調節發生器的輸出電壓,達到高速輸出振幅的目的。

  C:氣動部分:包括調速器、氣壓調節旋鈕。調速器用于調節氣缸的上、下速度。氣壓調節旋鈕調節工作氣壓。

  D:熔接时间(WELD TIME):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(HOLD TIME):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(DELAY TIME)。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BRANSON 8400和8700形式的超聲波點焊機中,其原理是調節壓緊塑料件的力度來觸發超聲波。對于較大的塑料件,爲防止起振失敗,多采用先觸發超聲波再熔接,或以較小的觸發力度。

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