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(diǎn)，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?yàn)椴恍枰钠?，如膠水或機(jī)械緊固件）和節(jié)省勞動(dòng)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(huì)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(gè)主要特征：它們具有良好的文件化，驗(yàn)證的焊接工藝; 這個(gè)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(gè)或兩個(gè)不存在，您很可能很快就要求幫助。即使同時(shí)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(diǎn)時(shí)間來了解焊接周期本身。在超聲波焊接中，通過振動(dòng)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)。

　　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(yùn)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(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)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(dòng)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(dòng)致動(dòng)器。在這種負(fù)載下，機(jī)械振動(dòng)被傳遞到材料表面之間的界面，其聚焦振動(dòng)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(hào)。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(shí)現(xiàn)所需的焊接結(jié)果。致動(dòng)器氣動(dòng)或電動(dòng)伺服操作，可作為獨(dú)立的臺(tái)式機(jī)組或集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中，將超聲波模具朝向要連接的部件移動(dòng)。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(dòng)系統(tǒng)。它通過與部件直接接觸將振動(dòng)能傳遞到密封/接合表面。超聲波振動(dòng)通常包括三個(gè)項(xiàng)目：超聲波換能器，其包含以所施加的電源信號(hào)的頻率振蕩的壓電陶瓷晶體換能器。當(dāng)這些晶體振蕩時(shí)，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(cè)量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（稱為峰 - 峰幅度）。

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

　　振動(dòng)系統(tǒng)的第三個(gè)也是最后一個(gè)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(jì)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(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)中的每個(gè)部分，都被設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(jì)：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(shí)在一個(gè)領(lǐng)域確定的問題可能會(huì)在另一個(gè)領(lǐng)域暴露出一個(gè)弱點(diǎn)或不足之處。

　　我們從設(shè)備開始吧?？紤]在一個(gè)應(yīng)用中產(chǎn)生成功焊接的設(shè)備和方法在另一個(gè)應(yīng)用中會(huì)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(duì)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(gè)偉大的投資，因?yàn)樗峁┰S多應(yīng)用將來使用的承諾。

　　然而，還有一些情況 - 特別是對(duì)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(duì)于某些組件來說也可能“積極”，可能導(dǎo)致?lián)p壞。一個(gè)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(huì)起作用。