超聲波塑料焊接機(jī)工作原理解析示意圖

超聲波塑料焊接機(jī)原理

前 言

　　隨著塑料及復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用.人們越來越關(guān)心它們的拼接問題 。 就結(jié)合表面加熱方法而言,超聲波焊接的強(qiáng)度是最高的也是最靈活的。焊接質(zhì)量的好壞不僅與功率、超聲發(fā)生器特性、超聲波焊接工藝參數(shù)有關(guān)·而且還與加壓系統(tǒng)的特性有關(guān)設(shè)計(jì)一套性能良好的氣動加壓系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)良好焊接所必需的 。

1.   超聲波塑料焊接機(jī)結(jié)構(gòu)

　　一般地講,超聲波塑料焊接機(jī)由三大部分組成:超聲波發(fā)生器、聲學(xué)系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)。超聲波發(fā)生器主要是將50Hz的工頻電轉(zhuǎn)換成超聲頻的交流用以激勵聲學(xué)系統(tǒng);聲學(xué)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為聲能.進(jìn)而轉(zhuǎn)化成熱能.使塑料件在接合處熔于一體,如圖l所示。

2   超聲波焊接工藝對加壓系統(tǒng)的要求

2.1   壓力的作用.

　　　由上所述，加壓是超聲波塑料焊接不可缺少的條件 。在焊接過程中,壓力的作用可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn):

(1)使焊頭和工件貼合緊密，令聲學(xué)系統(tǒng)中的超聲振動能有效地傳給工件。

(2)使塑料焊件界面緊密貼合，工件間的摩擦才能轉(zhuǎn)化為熱能 。

(3）當(dāng)界面熔化形成接頭時,壓力的作用有利于塑料內(nèi)部有機(jī)分子鏈的形成。

(4)在按頭凝固過程中，壓力的作用相當(dāng)于對焊件的拘束.如果焊后就松壓.焊件易于回彈開裂。

(5)壓力最終影響焊接強(qiáng)度,因?yàn)樗粌H影響上述幾個方面,同時也影響焊機(jī)輸出功率,- 般地講.焊接壓力增加,,得機(jī)輸出功率增加。

由此可見.良好加壓系統(tǒng)是超聲波焊接機(jī)系統(tǒng)中必需的。是保證得接質(zhì)量的重要前提 。

2. 2   焊接工藝對加壓系統(tǒng)的要求

(1)穩(wěn)定性   

　　焊接壓力對超聲焊接質(zhì)量有較大影響。就超聲波焊接而言,接頭質(zhì)量與輸入到焊件中的能量是密切相關(guān)的，這個能量可表達(dá)為:能量=振幅 x壓力 x時間。 所以壓力的波動會造成焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定,如果焊機(jī)采用變幅桿比較大的聲學(xué)系統(tǒng),則焊接質(zhì)量對壓力的波動更為敏感 。所以焊接工藝要求氣動系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

(2)氣缸活塞運(yùn)動速度可調(diào)   

　　為了實(shí)現(xiàn)焊接，氣缸活塞帶動聲學(xué)系統(tǒng)上下運(yùn)動。就焊接工藝而言.上下兩種運(yùn)動速度是不同的。由于工件種類、尺寸的不同，焊接壓力的建立也要做相應(yīng)變化。對于特定工件，壓力建立太慢.效率較低;而壓力建立太快又會造成,溶體塑性形變太快. 導(dǎo)致材料分子噴濺到界面。因而要求下降速度要可調(diào)， 同時為提高焊接效率、減少空耗時間. 聲學(xué)系統(tǒng)提起活塞時盡量短些.由于回抽速度對質(zhì)量無影響·所以可維持一定的較快速度，來保證焊接效率。

(3)聲學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

　　對聲學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)向運(yùn)行機(jī)構(gòu)有如下要求:1平滑、摩擦阻力小; 2運(yùn)行方向垂直于底座面 。因?yàn)榛赖哪Σ痢詴磉\(yùn)行的不平穩(wěn),壓力建立速度及壓力值的不穩(wěn)，從而造成焊接質(zhì)量的不穩(wěn) 。同時聲學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行方向與底座平面的垂直與否對焊接質(zhì)量也有較大的影響。它直接決定焊件是否對稱均勻熔化,同時也影響聲學(xué)系統(tǒng)的特性, 對超聲波焊接機(jī)的要求增加 。 若焊頭端面與底座平面不平行，則在焊接壓力建立的過程中,兩焊件接觸程度在界面分布上不均.從而造成界面·略化不均.最終影響焊后工件的整體結(jié)構(gòu)尺寸。

3   氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1   氣動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　為保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率·設(shè)計(jì)的氣動系統(tǒng)如圖2所示

超聲波塑料焊接機(jī)氣動原理圖

　　　其工作原理是:氣源給氣后，在五通電磁閥不動作時.壓縮空氣由氣源出來經(jīng)過空氣過濾器、減壓閥、五通閥、由下路遊入氣缸左端使氣缸活塞回縮.處于待焊狀態(tài)，待焊接過程開始后，氣閥可動作，氣體由上路進(jìn)入，氣缸右端迫使氣缸活塞桿伸出.帶動聲學(xué)系統(tǒng)下降·焊頭接觸并壓緊焊接件、壓力不斷建立.直至壓力檢測開關(guān)動作，焊接開始?；钊麠U運(yùn)行速度由節(jié)流閥決定。由于該節(jié)流閥采用單向節(jié)流.活塞桿回縮不節(jié)流.運(yùn)行速度較大.從而減少了空耗時間。

3.2   壓力檢測開關(guān)

　　壓力檢測開關(guān)的作用是當(dāng)預(yù)定的壓力達(dá)到后，啟動超聲波焊接信號。由于起振壓力的大小對焊接質(zhì)量及聲學(xué)系統(tǒng)特性均有影響，所以對量壓 力信號的提取較為嚴(yán)格。從國外如瑞士超聲波焊接機(jī)來看,一般采用壓力傳感器.這種方式壓力信號是較為精確的，但電路復(fù)雜、價格昂貴，本文在滿足焊接要求的情況下.利用普通壓力表實(shí)現(xiàn)了起振壓力的無級調(diào)節(jié)控制，處理簡単.而且價格便宜，實(shí)際工作運(yùn)行相當(dāng)可靠且旦滿足精度要求。   

3. 3   元件選擇及設(shè)計(jì)裝配

(1 )汽缸   來用雙向差動汽缸，這種汽缸的選擇可參考下列公式：

其中D為汽缸內(nèi)徑;f為活塞桿上輸出壓力:P為氣源壓力,很據(jù)實(shí)際焊接壓力一般為幾十到上百公斤，經(jīng)一系列的校核計(jì)算.本文采用日本SMC公司的167系列汽缸，其參數(shù)如下:最大壓力10.00bar:沖程100mm:汽缸內(nèi)徑63mm.

(2)減壓閥   

　　它是氣壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵.直接影明到焊接壓力的建立特性，從而影響焊接質(zhì)量，所以它的選擇尤為重要。同時在其應(yīng)用過程中要特別注意·在有空氣生埃的地方·于減壓閥前一般要加過濾器;接管時.管內(nèi)一定要注意清理掉鐵屑及其它污物.以免影響減壓問正常工作:在選用時·要選擇調(diào)節(jié)范圍稍高于實(shí)際使用范圍。

(3)單向節(jié)流閥   

　　對于節(jié)流調(diào)速方式大致分西種·即進(jìn)氣節(jié)流、出氣節(jié)流 。一般地講，出氣節(jié)流要好于進(jìn)氣節(jié)流。因?yàn)榍罢呖墒蛊谆钊纬善椒€(wěn)壓差.而使活塞運(yùn)行平穩(wěn) 。如采用進(jìn)氣節(jié)流，由于進(jìn)出氣不平穂·因而可產(chǎn)生忽快忽慢忽走忽停的氣缸爬行現(xiàn)象 ,但由于超聲波焊接本身的特點(diǎn)決定需有一起振壓力， 如果節(jié)流設(shè)置在后.則氣缸右端一下達(dá)到焊接壓力，盡管壓力也是從零增至焊接壓力，但起振壓力檢測傳感處理較為困難，因?yàn)榇藭r的實(shí)際工作壓力為活塞兩端壓力差。所以本文采用進(jìn)氣節(jié)流.直接檢測汽缸右端壓力以決定焊接開始與否。為消除爬行現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小聲學(xué)系的運(yùn)動軌道的摩按阻力，并力求氣缸安裝正確活塞不受偏載。

3.4   導(dǎo)向運(yùn)行機(jī)構(gòu)

　　由于超聲波塑料焊接工藝的特點(diǎn),僅要求焊接頭在汽缸活塞帶動下進(jìn)行上下運(yùn)動,所以其運(yùn)動副為滑動副即可。對子滑動導(dǎo)軌.其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)容易且剛性更大， 氣動驅(qū)動滑軌的主要問題是摩擦，所以導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是:減小摩擦、增加鋼性強(qiáng)度。_對于立式加壓常用的有:燕尾型及圓筒型等·如國3所示:

　對于圖3b所示的結(jié)構(gòu)·采用兩個圓筒狀的棒作為導(dǎo)向桿,由于在工作臺上加工兩個具有同樣間隙的孔，而且要保證平行度,看起來簡單，但往往不容易 。美國 Branson公司的早期焊機(jī)采用的就是這種結(jié)構(gòu)。就剛度而言，這種結(jié)構(gòu)不如燕尾型。目前瑞士等國焊機(jī)采用燕尾型 。綜合上面的分析，本文聲學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用燕尾型·同時為減小庫擦力·在燕尾頂尖處加滾動軸承。

4　工藝實(shí)驗(yàn)

　　配以本文研制的UPW- I型功率超聲波發(fā)生器.利用上述氣動加壓系統(tǒng)對 PMMA、ABS、素碳酸脂等材料進(jìn)行了平面焊接，工況與工藝參數(shù)見下表 。

對焊接后工件進(jìn)行檢驗(yàn).焊接質(zhì)量良好。

5   結(jié)     論

　本文設(shè)計(jì)的這套氣路系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可靠，満足了焊接工藝對氣動加壓系統(tǒng)的要求。恒波超聲波塑料焊接機(jī)就是采用上述結(jié)構(gòu)。