超聲波焊接參數(shù)設(shè)定，如何設(shè)置超聲波時間、壓力

超聲波焊接參數(shù)設(shè)定

　　超聲波焊接主要工藝參數(shù)有：超聲波振幅、焊接時間、保壓時間、焊接壓力、超聲波頻率等。最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設(shè)備而定。焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點和焊接接頭之間的距離。焊接能力受到塑料傳遞超聲振動能力（且零件不受到損傷）的限制。

1.超聲頻率

　　超聲波常用的頻率有20、30、40 kHz， 15 kHz常用于半結(jié)晶性塑料。20 kHz是最常用的超聲波頻率，因為這一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達(dá)到，但它可能產(chǎn)生大量難以控制的機械振動，工具變得很大。產(chǎn)生較少振動的較高頻率（40 kHz）是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強聚合物。高頻率焊接設(shè)備的優(yōu)點包括：噪聲小、零部件尺寸小、增強零件保護(hù)（由于減少循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱）、提高機械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進(jìn)行遠(yuǎn)場焊接。較高頻率超聲波焊機通常用于焊接小型、精密零件（如電氣開關(guān)）及材料降解需較少的零件。對于15 kHz的焊機能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20 kHz焊機焊接時的材料降解少。用20 kHz勉強能焊的零件（尤其是那些由高性能工程樹脂加工成的），用15 kHz能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長諧振長度，在所有維度可以做得更大。采用15 kHz的另一重要優(yōu)點是同使用較高頻率相比，大大降低了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料及更大的遠(yuǎn)場距離。

2.超聲波振幅

　　成功焊接取決于焊頭端部的適當(dāng)振幅。對于所有變幅桿/焊頭組合，振幅是固定的。根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得適當(dāng)程度的熔化。一般說來，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅?，F(xiàn)代超聲波焊接機上的過程控制允許分階。高振幅用于開始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會改善剪切接頭設(shè)計零件的焊縫質(zhì)量。對于對接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質(zhì)量提高且焊接時間減少。在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率（Qavg）取決于材料的復(fù)合損耗模量（E?）、頻率（ω）和作用應(yīng)變（ε0）： Qavg=ωε02 E?/2 熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān)。在達(dá)到熔點或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升（達(dá)1 000 ℃/s）。作用應(yīng)變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過改變振幅來控制焊接界面的加熱。振幅是一個控制熱塑性塑料擠壓流動速率的重要參數(shù)。高振幅時，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生大量飛邊及焊縫強度較低。高振幅對于開始熔化是必需的。太低的振幅產(chǎn)生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固。當(dāng)增加振幅時，更大量的振動能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應(yīng)力。在整個焊接循環(huán)過程中振幅恒定時，通常采用的是對待焊零件不至于產(chǎn)生過量損害的最高振幅。對于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以機械調(diào)節(jié)（通過更換變幅桿或焊頭）或者電氣調(diào)節(jié)（通過改變提供給換能器的電壓）。在實踐中，較大振幅調(diào)節(jié)采用機械方式而微調(diào)用的是電氣方式。高熔點材料、遠(yuǎn)場焊縫及半結(jié)晶性塑料通常需要比非結(jié)晶性塑料和近場焊縫更大的振幅。非結(jié)晶性塑料典型的總振幅范圍是30~100 μm，而結(jié)晶性塑料為60~125 μm。振幅分階（amplitude profiling）能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熔體流動和一致的高焊縫強度。對于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于開始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向。

3.   超聲焊接時間

焊接時間是施加振動的時間。每一用途合適的焊接時間由試驗確定。增加焊接時間會提高焊縫強度直至達(dá)到最佳時間為止。進(jìn)一步增加焊接時間會導(dǎo)致焊縫強度降低或者只是稍稍增加強度，而與此同時會增加焊縫飛邊和提高產(chǎn)生零件壓痕的可能性。避免過焊是很重要的，因為會產(chǎn)生需修整的過量飛邊，這可能降低焊縫質(zhì)量，在需密封接頭的零件中產(chǎn)生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長焊接時間時在遠(yuǎn)離接頭區(qū)域的零件部分還可能出現(xiàn)熔化和斷裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

4.   保壓時間

　　保壓時間是指焊后零件在無振動壓力下結(jié)合和凝固的標(biāo)稱時間。在大部分情況下，它并不是一個關(guān)鍵參數(shù)，0.3~0.5 s一般足夠了，除非內(nèi)載荷易于拆開焊接零件（如焊前壓縮的螺旋彈簧）

5.   焊接壓力

　　焊接壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動傳入零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對于良好焊接是必不可少的。如果壓力過低，會造成能量傳遞差或不足的熔體流動，導(dǎo)致不必要的長時間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會減少實現(xiàn)相同位移所需的焊接時間。如果壓力過高，會造成沿流動方向的分子取向及降低焊縫強度，可能產(chǎn)生零件壓痕。極端情況下如果相對于焊頭端部振幅來說壓力過高，可能會過載、使焊頭停止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。隨著振幅的增加，可接受的壓力范圍變窄。因此高振幅時最重要的是找到最佳壓力。大多數(shù)超聲波焊接是在恒壓或恒力下進(jìn)行的。對于某些裝置，循環(huán)過程中力是可以改變的，即進(jìn)行力分階（force profiling），在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環(huán)后期下降的焊接壓力或作用力減少了從接頭處的材料擠出量，延長分子間擴散時間，減低分子取向并提高焊縫強度。對于有較低熔體黏度類似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強度。

6.   焊接模式

　　按時間焊接稱之為開環(huán)過程。待焊零件在焊頭下降和接觸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固定時間，通常是0.2~ 1 s。這個過程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假設(shè)固定的焊接時間導(dǎo)致固定量的能量作用于接頭，產(chǎn)生可控量的熔化條件下的理想情況。實際上，從一個循環(huán)到下一循環(huán)保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個因素造成的（如兩零件之間的配合）。因為能量隨功率和時間而變化，時間固定，施加的能量從一個零件到下一零件會發(fā)生改變。對于一致性非常重要的大批量生產(chǎn)，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反饋控制的閉環(huán)過程。超聲波機器軟件測量吸收的功率并調(diào)節(jié)加工時間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個過程的假設(shè)是如果每道焊縫消耗的能量相同，接頭處熔化材料的數(shù)量每次是相同的。然而實際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。結(jié)果，某些零件可能比其它零件獲得更多的能量，可能造成焊縫強度不一致。按距離焊接允許零件按特定的焊接深度連接。這種模式運作不取決于時間、吸收的能量或功率，補償模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保證了每次在接頭中熔化相同數(shù)量的塑料。為了控制質(zhì)量，可以對形成焊縫所用的能量或所花的時間設(shè)定限度。