超聲波焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理分析

超聲波焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)功能原理分析

　如圖2所示，超聲波焊接設(shè)備由壓力機、超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波焊頭和零件支撐工裝等組成。

1. 超聲波發(fā)生器

　　超聲波發(fā)生器的作用是將工頻（50 Hz或60 Hz）電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電壓。微處理器經(jīng)由用戶界面控制焊接循環(huán)和反饋關(guān)鍵焊接信息給用戶。用戶界面也允許操作人員輸入所需的焊接參數(shù)。

2. 焊接套件(welding stack)/聲能系統(tǒng)焊接套件提供超聲機械振動，一般由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，在變幅桿中部固定在焊接壓力機上。焊接套件是有點類似音叉的諧振器。焊接套件的諧振頻率必須緊密匹配來自發(fā)生器的電信號的頻率（相差少于30 Hz）。

超聲波振動單元

     2.1 換能器通過逆壓電效應(yīng)將來自于發(fā)生器的超聲頻電壓轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲機械振動。它由夾于兩金屬（通常是鈦）塊之間的若干壓電陶瓷片組成。片與片之間有一薄金屬板形成電極。在正弦電信號經(jīng)由電極提供給換能器時，壓電片膨脹和收縮，產(chǎn)生15~20 μm的軸向峰到峰運動。超聲波換能器是精密設(shè)備，應(yīng)小心處理。

超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖

各種規(guī)格超聲波換能器

2.2 超聲波變幅桿

　　　變幅桿有兩個作用。其主要作用是放大換能器端部產(chǎn)生的機械振動并將振動傳給焊頭。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機上的位置。在換能器施加超聲能量時，變幅桿也膨脹和收縮。與焊接套件中的其它零件一樣，變幅桿是調(diào)諧裝置，因而它也必須在特定頻率共振以便將超聲能量從換能器傳至焊頭。為了有效地發(fā)揮作用，變幅桿必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長或半波長的整數(shù)倍。一般為半波長。

幾種常用的超聲波變幅桿

2.3 超聲波焊頭

超聲波焊頭是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。與超聲波變幅桿一樣，焊頭也是調(diào)諧裝置，在大部分應(yīng)用中也提供機械放大，焊頭的長度必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長或半波長的整數(shù)倍。這保證焊頭端部有足夠的振幅實現(xiàn)焊接。振幅一般為30~120 μm。待焊零件和接頭設(shè)計決定焊頭的尺寸和式樣。焊頭的形狀至關(guān)重要，因為焊頭的軸向膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會在高振幅情況下造成開裂。在某些應(yīng)用中，焊頭加工有多個軸向狹槽。這是為了確保最大振幅位于縱向。焊頭端部將超聲能量傳給待焊零件。端部應(yīng)專門設(shè)計以匹配零件來確保焊頭和零件之間實現(xiàn)最大能量傳遞。通常焊頭端部做成匹配零件輪廓的型材。約75%的焊頭是由鈦制成，約15%由鋁制成，其它焊頭由HRC54~56的淬硬鋼制成。鈦質(zhì)輕、硬度適當(dāng)、韌性好、聲學(xué)性能優(yōu)是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質(zhì)合金用于高磨損場合。但是其價格昂貴，難以機加工。鋁質(zhì)輕、容易加工、聲學(xué)性能好、成本低，用于制作大零件焊接時的大焊頭和原型焊頭或需復(fù)雜加工的焊頭。鋁焊頭由于表面硬度低、容易磨損、疲勞性能差，不適合于長期生產(chǎn)應(yīng)用，常用于小批量應(yīng)用。為防止產(chǎn)生壓痕和減少磨損，鋁必須鍍鎳或鉻。在需耐沖擊或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金屬嵌件時，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強度低，只用于低振幅場合。復(fù)雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復(fù)合式焊頭（子母焊頭），這時基底焊頭采用鋁質(zhì)，鈦或鋼次級焊頭與基底焊頭相連并引導(dǎo)能量。

3.   壓力裝置

　　壓力裝置用于固定焊接套件及施加焊接所需的作用力。它由固定工裝夾具的底座和施加作用力的氣缸組成。壓力機上帶有壓力表和調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)焊接作用力。應(yīng)該注意的是某一超聲波焊接設(shè)備上設(shè)定的特定表壓與另一設(shè)定同一表壓的焊機提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力應(yīng)該用測壓儀校準以便對不同焊機之間的焊接作用力進行直接比較。壓力機上也有流量控制閥可以對焊頭接近待焊零件的速度進行調(diào)節(jié)。有些焊接設(shè)備采用電磁力加壓系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的氣缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件時是有益的。

4.   支撐工裝

　　壓力機底座固定焊接過程中支撐零件的工裝。支撐工裝是為防止下部零件在超聲波作用時發(fā)生移動專門設(shè)計的，它通常加工成緊密匹配零件表面輪廓的形狀。夾具從簡單到復(fù)雜的都有，由零件設(shè)計來決定。下部零件必須受到牢固放置和支撐。夾具或底座應(yīng)可調(diào)確保零件垂直于焊頭。夾具可由若干材料加工而成。不銹鋼是最佳選擇，因為它容易機加工和拋光。特型夾具現(xiàn)在可直接經(jīng)由CAD數(shù)據(jù)加工。較大的、復(fù)雜的、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質(zhì)聚氨酯裝夾。

超聲波底模夾具要有足夠的支撐

上述介紹是基本型超聲波焊接機的結(jié)構(gòu)，如需了解更多超聲波焊接設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)，請微信咨詢。