塑料超聲波焊接工作原理微觀過程分析

　　超聲波焊接是廣泛認(rèn)可和接受熱塑性材料的方法。它具有許多優(yōu)點，包括工藝可靠性和重復(fù)性，比其他接合技術(shù)更低的能源使用，節(jié)省材料（因為不需要消耗品，如膠水或機(jī)械緊固件）和節(jié)省勞動力。

　　但是與任何流程一樣，存在這種技術(shù)的明顯問題可能會中斷生產(chǎn)過程的情況。解決和避免這些問題的關(guān)鍵是了解其可能的起因。成功使用超音波焊接的處理器通常具有兩個主要特征：它們具有良好的文件化，驗證的焊接工藝; 這個過程由居民訓(xùn)練有素的“冠軍”支持和維護(hù)。如果這些重要因素中的一個或兩個不存在，您很可能很快就要求幫助。即使同時存在，有可能至少需要一些幫助或技術(shù)幫助。

過程如何工作
　　在研究超聲波焊接問題的常見原因之前，讓我們花點時間來了解焊接周期本身。在超聲波焊接中，通過振動工具（通常稱為“喇叭”或“超聲波”）將兩部分的表面施加高頻振動。由于在部件之間的界面產(chǎn)生摩擦熱，焊接發(fā)生。超聲波振動是通過一系列組件（電源，轉(zhuǎn)換器，增壓器和喇叭）產(chǎn)生的，這些部件可以向部件提供機(jī)械振動。

　　如圖所示。1，電源采用標(biāo)準(zhǔn)電線電壓，并將其轉(zhuǎn)換為工作頻率。在以下示例中，我們將利用20 kHz的常用超聲波焊接頻率，盡管焊接可以在15至60 kHz范圍內(nèi)進(jìn)行，以滿足特殊需求。在運行中，電源通過RF電纜將指定頻率的電能發(fā)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器利用壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換成電源工作頻率下的機(jī)械振動。這種機(jī)械振動根據(jù)增壓器和喇叭的結(jié)構(gòu)而增加或減少。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械振動幅度由應(yīng)用工程師確定，并基于部件中使用的熱塑性材料。

待焊接的部件被放置在機(jī)械負(fù)載下，通常具有保持助力器和喇叭的氣動致動器。在這種負(fù)載下，機(jī)械振動被傳遞到材料表面之間的界面，其聚焦振動以產(chǎn)生分子間和表面摩擦。這種摩擦產(chǎn)生熱量和隨后的熔體，其凝固成焊接粘結(jié)。

　　超音波系統(tǒng)的基本部件是電源，執(zhí)行器和堆疊（參見圖2）。電源將線路電壓標(biāo)稱為120-240V，并將其轉(zhuǎn)換為高電壓，高頻信號。它還包含以受控方式操作執(zhí)行器和堆疊所需的編程，以實現(xiàn)所需的焊接結(jié)果。致動器氣動或電動伺服操作，可作為獨立的臺式機(jī)組或集成到自動化系統(tǒng)中，將超聲波模具朝向要連接的部件移動。它將所需的力應(yīng)用于材料以幫助創(chuàng)建焊接條件。

　　超聲波振動系統(tǒng)。它通過與部件直接接觸將振動能傳遞到密封/接合表面。超聲波振動通常包括三個項目：超聲波換能器，其包含以所施加的電源信號的頻率振蕩的壓電陶瓷晶體換能器。當(dāng)這些晶體振蕩時，它們物理地膨脹和收縮，從而在換能器的輸出側(cè)產(chǎn)生可測量的機(jī)械運動（稱為峰 - 峰幅度）。

　　第二部分，增壓器在其中間部分帶有一個連接的環(huán)，具有兩個功能：它作為堆疊進(jìn)入致動器的安裝點，并且還用于放大或減少傳感器中產(chǎn)生的輸出運動。

　　振動系統(tǒng)的第三個也是最后一個部件是將要接合的零件的超聲波焊接模具。模具表面設(shè)計成與產(chǎn)品接觸面一致，或者可以在膠片/紡織品應(yīng)用中具有添加到其接觸面的密封輪廓。對于振動系統(tǒng)中的每個部分，都被設(shè)計成與其他組件匹配結(jié)合，以達(dá)到最佳幅度輸出水平，以允許超聲波焊接盡可能高效地發(fā)生。

典型的問題
問題通常發(fā)生在四個方面之一：

1. 設(shè)備：超聲波焊接設(shè)備或各種焊接部件不吻合；
2. 過程參數(shù)：所使用的參數(shù)不適合正在連接的部件；
3. 材料：對零件中使用的材料的類型，組成或物理/機(jī)械特性進(jìn)行更改；
4. 塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計：零件幾何的某些細(xì)節(jié)不適合重復(fù)或成功焊接。

還應(yīng)該指出的是，有時在一個領(lǐng)域確定的問題可能會在另一個領(lǐng)域暴露出一個弱點或不足之處。

　　我們從設(shè)備開始吧。考慮在一個應(yīng)用中產(chǎn)生成功焊接的設(shè)備和方法在另一個應(yīng)用中會這樣做是很容易和通常合乎邏輯的。但這并不普遍。全球范圍內(nèi)，20 kHz超聲焊接機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的一種; 由于其多功能性，這些焊工可提供高功率（高達(dá)6000W）和高幅度輸出，并且可以適應(yīng)各種可用的刀具尺寸。對于生產(chǎn)超聲波焊接部件的合同制造商，20 kHz設(shè)備可以是一個偉大的投資，因為它提供許多應(yīng)用將來使用的承諾。

　　然而，還有一些情況 - 特別是對于小而精巧的部件，其中20 kHz設(shè)備的高功率，高振幅能力對于某些組件來說也可能“積極”，可能導(dǎo)致?lián)p壞。一個可能的解決方案是減小輸入幅度，但是如果施加的振幅低于被焊接的聚合物的推薦水平，則不會起作用。