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影响超声波焊接成功的5个因素_公司动态_宁波清索超声科技有限公司

2021-11-22 15:40

超声波焊接的基本原理是将高频电能转化为高频振动机械能。这种往复振动传递给热塑性或金属,在塑料与塑料、塑料与金属或金属与金属的界面上产生摩擦和热。


在超声波焊接中,摩擦产生热量使两种材料的表面熔合在一起。在超声铆接中,焊接头控制熔融塑料的流动,成型和冲压零件。在超声波螺母安装中,焊接头将金属螺母驱动到塑料上。


超声波焊接系统有多种配置选项,包括不同频率(15Khz-50Khz)、不同功率(600W-4800W),以及多种形式,如气动超声波焊接机、伺服超声波焊接机、手持式焊接机、非标焊接机、金属超声波焊接机等。


影响超声波焊接成功的因素还有很多:模具(包括上焊头和下焊头)、频率、材料、焊缝设计、焊接参数、零件注射成型等。在本文中,我们介绍了5个主要因素。


1. 焊接系统频率

典型超声焊接系统的频率为15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。有必要根据产品尺寸、内部构件类型、强度和外观要求选择合适的焊接频率。一般可参考以下原则:


对于小型电子产品(包括PCB板和微电子元件)的外壳焊接,采用高频40Khz焊机进行焊接。40Khz焊机振幅较小,焊接压力小,可避免对产品内部电子元件的损坏。

适用于表面有a型外观要求的小型产品。采用40Khz焊机焊接,振幅小,压力小,改善外观。

对于中、大型零件的焊接,采用低频15Khz或20Khz焊机。

对于PP等较软的材料和刚性较差的薄壁产品,采用15Khz低频大幅焊机进行焊接。

对于远场焊接,即焊接头离焊缝较远,如大于12mm时,采用15Khz低频大幅焊机进行焊接。

20Khz焊机适用于大多数中小型产品的焊接,也是目前应用广泛的超声波频率。

2. 材料

对于塑料的超声波焊接,只适用于热塑性塑料的焊接。因为它们可以在特定的温度范围内熔化。热固性塑料在加热时会降解,不能用超声波焊接。


热塑性塑料的可焊性取决于材料的刚度或弹性模量、密度、摩擦系数、导热系数、比热容、玻璃化转变温度Tg或熔化温度Tm。


一般来说,刚性塑料具有优良的远场焊接性能,因为它们更容易传递振动能量。然而,低弹性模量的软塑料更难焊接,因为它们能衰减超声振动。超声铆接或点焊则相反。塑料越软,就越容易铆接或点焊。


一般来说,塑料可分为两类:非结晶(无定形)和结晶。超声波能容易在非晶材料中传导,因此非晶塑料易进行超声波焊接。超声能量在晶体材料中不易传播,焊接晶体塑料时需要较大的振幅和能量,焊缝精心设计。


进一步影响可焊性的因素包括水分含量、脱模剂、润滑剂、增塑剂、填充增强剂、颜料、阻燃剂和其他添加剂,以及实际的树脂等级。另外,需要注意的是,不同材料之间的相容性程度是不同的。有些材料在特定牌号之间有一定程度的相容性,而有些材料则是不相容的。


考虑焊接是近场焊接还是远场焊接。当焊接头与工件接触部位与焊筋的距离小于6mm时,称为近场焊接。大于6mm'的称为远场焊接。距离越大,振动衰减越大,焊接难度越大。


3.焊接接头的设计

影响超声焊接关键和重要的因素是接头的设计。当零件处于设计阶段时,工程师应仔细考虑和评估。焊接接头有多种设计,每一种都有自己的特点和优点。设计的选择取决于塑料的类型,零件的几何形状,焊接要求,注射成型能力和外观要求。


典型的联合设计:

三角能量导向肋设计。这是超声波焊接中常用的设计,也是容易注入的设计。它的特点是在平面上有一个小的凸起三角形,三角形的顶部为90度或60度。由于其尖点设计易于引导和集中振动能量,故称为导能肋。

阶梯式缝设计,便于注塑成型,上下件可自行定位,焊接强度高,熔融物料流入垂直缝隙。


开槽式接缝设计,上下件可自行定位,强度高,密封性好,内外无水闪。缺点是需要一定的壁厚。


剪切缝设计一般用于焊接要求高强度密封的小尺寸产品,特别适用于结晶塑料的焊接。


斜接接头通常用于圆形或椭圆形零件,具有高强度和高密封性,特别适用于焊接结晶塑料。


为了确定哪种焊接设计适合您的产品,请咨询超声波制造商的工程师或销售人员。


4. 工装及焊接头

一般来说,客户会选择与焊机相同品牌的工装和焊头。其实你可以自由选择其他品牌提供的工装和焊接头,只要焊接头的频率与设备的频率相同即可。


焊接头材料可选用铝合金、钛合金和硬质合金钢。模具材料可选用铝合金、不锈钢和树脂模具。如何选择材料一般需要考虑塑料的种类,材料的玻璃纤维含量,接头的结构和尺寸,焊接强度和使用寿命。比如为了延长使用寿命,硬质合金焊接头就是好的选择。



超声波焊接头可以通过有限元分析(FEA)进行设计和优化,使工程师能够在实际制造前评估焊接头的振动和应力水平。焊接头设计是输出振幅均匀,应力小。在上面的图片中,左边的图片是优化后的前焊接头设计,振幅输出不均匀。右图,优化后的输出振幅是均匀的。


在焊接头的设计和制造中,注意保持对称——焊接头的对称至关重要。焊接头不对称,造成非轴向振动。径向振动会大大增加应力,导致焊接头失效。


好的工装设计也很重要。该工具主要有两个功能:(1)对准焊头下的零件;(2)刚性支撑焊接区域。刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊缝位置,这就是为什么工装通常采用金属加工零件。


为了增加焊接头的耐磨性,增加使用寿命,焊接头表面可进行碳化钨或镀铬处理。工具可以分段设计,以更好地适应产品。


5. 焊接参数

在焊接过程中,焊接参数会影响焊接结果。这些参数包括振幅、焊接压力、触发压力、焊接距离和焊接能量。


不同类型的塑料需要不同的振幅。振幅可以通过软件中设置的百分比进行微调,也可以通过改变不同比例的振幅调制器进行较大范围的调整。焊接压力可通过旋钮或软件设置进行调节。触发压力是指当焊头压紧产品,压力达到一定设定值时,设备开始发射超声波。这个值可以通过旋钮或软件设置进行调整。


超声波焊接过程的控制方法有以下几种:


时间焊接模式,即设置超声波焊接的持续时间。

远距离焊接模式(位置焊接模式),即设置焊接距离或位置。

能量焊接模式,即设定焊接能量。

不同的焊接方式适用于不同产品的焊接。如薄板焊接采用能量焊接方式,尺寸公差大的产品采用距离焊接方式,公差要求高的产品采用位置焊接方式。


另外,如果需要,可以监控焊接过程中的所有参数,设置参数合格件间隔,避免意外缺陷件。


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