超音波焊接工作原理.doc

超音波焊接原理
超音波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超音波熔接处理，而不需加溶剂、粘接剂或其它辅助产品。其优点是增加多倍生产率，降低成本，提高产品质量，安全生产及环保。
超音波塑胶焊接原理是由发生器产生20KHZ（或15KHZ）的高压、高频信号，通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面及内在分子件的的摩擦而使传处到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接。

超音波焊接工件的设计
在超音波焊接过程中，能量导向部分允许迅速焊接，同时达到最大的强度。在导向部分的材料如图示在整个结合区内流动。
在焊接前要按要求比例设计能量导向部分，改进对焊接与导致材料流动。工件尺寸的选择应是附图图示能量导向部分熔化后足够分布于接合面之间。通常，对于易焊接的树脂能量导向部分最小高度为0.010英寸（0.25毫米）。对于某些需要高能量的树脂，即结晶型、低刚度或高熔化温度的非晶型（如聚碳酸酯、聚砜）树脂，需要较大的能量定向部分，其最小高度为0.020英寸（0.5毫米）。在工件之间对齐的方法，例如销钉和插口，应包括在工件设计中。必须指出，为溶剂焊封所作的设计一般可以修改，以符合超音波焊接的要求。

超音波焊接的焊口设计
两个热塑性塑料件的超音波焊接要求超音波振动通过焊接头传递到组合件的上半部，最后传至两半的结合处或界面上。在此，振动能量转换成热能，用以熔化塑料。当振动停止后，塑料在压力下固化，在结合面上产生焊接。
两个结合表面的设计，对于获得最佳焊接结果来说是非常重要的。有各种各样的连接设计，每一种都有焊接特色和优点。各种设计的使用取决于许多因素，例如塑胶的类型、零件几何形状、焊接的要求（即粘性、强度、密封等）。详细可参见附表：东和超音波焊接彩页、科威信焊接设备彩页、旭达超音波焊接彩页、天力超音波焊接彩页等。
超音波熔焊应用方法
一.              熔接法：以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使两块塑胶的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。
二.              铆焊法：将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬时发热熔成铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。
三.              埋植：借着焊头之传导及适当的压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力，扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点
四.              成型：本方法同铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑料胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶熔融成形而包覆于金属对象使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。
五.              点焊：a.将两片塑胶分点熔接，无需预先设计焊线，达到熔接目的。
b.对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。
六.              切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

超声波模具的设计
可能我们会有这样的想法：焊头的设计和生产是非常的简单。千万不要被误导，当使用一个加工不当或是未经过调谐的焊头，将给你的生产带来昂贵的损失，它会破坏焊接效果，甚至更严重的会直接导致换能器或发生器损坏。
因此焊头的设计绝不像它的外形那幺简单，相反需要跟多的专业知识和技能。如何保证焊头能够最经济的工作？如何保证焊头能够将换能器转换的机械振动有效地传递到工件上，形成持续稳定的焊接，这些设计人员必须充分考虑。
即便拥有几年的设计和开发经验，还是要坚信只有通过严格的测试和质量控制才能生产出最好的焊头。通过应用像有限元分析（FEM）这样的工艺，将焊头的声学特性和机械特性完美的结合起来，才能设计出最符合客户需要的产品。
生产每一套焊头和模具，不管是标准产品还是根据客户需求定制的，都是用最好的材料制成的同时经过反复的测试。焊头的外型、强度以及音频等各种参数经过多次试验，能符合最为严格的标准，焊头和模具达到最完美的匹配。
材料是保证超音波模具寿命于熔接产品效果的主要原因之一，模具完成的过程是复杂的。所以不仅是模具工程师设计务必慎重选择材质，亦需了解本身产品需求该使用何种材质，避免因疏忽而影响其时效与品质。
一.              铝镁合金（7075T651,2024T651,6061T651）
1.  7075T651：使用于振动系统及Horn制造，该材料具有极高的机械屈服强度，硬度高，热传导性强，是理想的超音波模具制造材料；
2.  2024T65：一般使用于Horn制造，韧性佳，热传导性强，硬度适中，用于一般塑胶制品。
3.  6061T651：使用于较低出力之Horn制造，韧性佳，质较软。
二.              钛合金：用于连续发振的机种，韧性较高，热传导性佳，硬度高，而成本昂贵。
三.              国产硬质铝合金：国产料，用于普通铝材加工，热传导低，对超音波机械损耗高，成本低。

生产一副超音波模具，需考虑以下各项因素：
1.  产品的要求：决定模具的使用寿命，磨损率，因而采用何种金属
2.  产品的形状：采用何种熔接工艺，设定模具的大小，压力传达区，产品在熔合时可能产生的变形，需要多大功率和何种功能。是否可以一次熔接玩成工作。
3.  产品的塑料性质：决定模具的振幅，那一件工作应接受超声能量，导能线的形式，位置，大小。在不同的塑料组合时，应该怎样设计触位？

夹具装置
塑料超音波焊接的一个重要因素是夹具装置。夹具装置的主要用途是固定零件，使之与焊接头对准，同时对组合件提供适当的支撑。被焊接的材料、零件几何形状、壁厚和零件的对称性均可影响能量向界面的传递，因此设计夹具时必须加以考虑。
某些用途，例如铆接和嵌插，要求在焊接头接触区下面有坚硬的承托装置，铝质的夹具装置可提供必要的刚度，可以镀铬来防止零件出现疤痕和提高耐磨性。
在一些用途中，夹具必须具有一定程度的弹性以保证在连接区产生异相状态。异相状态一般在最差的结合处出现，这是待焊接的范围；不过，由于某些零件材料和几何形状，结合的两半可能合成一整体，上下同时振动，如果这种状态出现，将承槽由刚性材料改为弹性材料，或将硬度计由软性材料改为另一种材料，往往足以在连接区重新建立异相状态。
简单的试验夹具可用木料、环氧树脂或熟石膏建造。对于更精密、更长寿命的夹具则要用铝、钢、黄铜、铸塑尿烷或其它的弹性材料。夹具设计范围广，从快速拆卸夹具到简单的金属板均有，应用的要求和生产率通常决定夹具的设计。

成功熔接取决的因素（超声波模具设计部分）
1.  产品的形状：不同的形状，壁厚，塑胶材料，决定了所需要的超音波熔接机功率大小和特质。
2.  接口位的设计：一般均由超音波机供应商提供建议。要达到最佳效果，须依据不同的熔接要求，壁厚、塑料采用专业的设计，尤其在铸塑模开拓阶段至为重要。注塑模在多次改动后必令注塑模的寿命降低和产生变形或毛刺，损失不菲。优秀的供应商可预见塑件熔接时出现的困难和解决方法。能提供优良的设计可助你得到最佳效果，节省更改注塑模具的时间和相关费用。
3.  优质的超音波熔接机：（工欲善其事 必先利其器）优质的机器表示该机已经设计成熟，性能稳定和耐用，有标准化的零件和多年后仍可补充优质的零件。
4.  能充分发挥熔接效益的模具：优良模具能提升熔接效益，以小机器做大事情。反之可令设备损坏引致经济损失。塑料件材料对超声波焊接的影响