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超声波焊接机高精度小振幅焊接的方法_实时资讯_宁波清索超声科技有限公司

2021-11-22 16:22

超声波焊接是行业中常见的塑料焊接工艺之一。焊接过程中三个重要的参数:振幅、焊接时间和焊接压力。焊接时间和压力是工艺发展后期容易调整的参数。振幅往往是在开发初期确定的,后期很难改变,因此须提前设计合适的振幅。


虽然基于行业积累的经验,许多通用材料都推荐了设计振幅。然而,随着新开发的特殊材料的迅速增加,希望能有一种实验方法来确定材料所需的振幅。在这里,我们介绍一种可行的方法来确定所需振幅。


焊接头的输出幅度取决于设备的频率、变频器的输出幅度、调幅器(喇叭)的变换比以及焊接头的形状设计。典型的焊接头设计方法是:在低于材料疲劳极限应力的条件下,焊接头设计变换比越大越好(即输出振幅越大越好)。如果需要降低幅度,可以将幅度调制器的比例调小,或者通过调整电压来降低幅度。


但是,这种设计方法也有一些缺点:


转换比不能均匀分布,即焊头和调幅器的转换比差别很大。需要注意的是,当焊接头和调幅器的变换比接近时,超声三联(换能器+调幅器+焊接头)的性能会得到提高。

通过改变电压来降低焊接头的变化率,同时也会降低电箱的输出功率。例如,当振幅设置为50%时,一个原始输出功率为2400W的电盒实际输出功率为1200W。这很容易造成超负荷。

使用较大的振幅会对零件造成不可接受的损坏。例如,小截面积的裂缝可能会造成外观烧伤,可能会对膜、滤膜和电子元器件造成损坏。

由于上述原因,确定塑料超声焊接早期所需的振幅非常重要。


振幅计算

传输到塑料部分的振幅是传感器输出振幅、调幅器比值和焊接头比值的乘积。



换能器的输出振幅和调幅器的比值由超声波设备制造商提供,通常是固定的。但可以设计焊接头的变形比。


焊头转化率有一个近似的计算公式:焊头转化率=焊头节点上方质量÷焊头节点下方质量。由于材料密度和长度相同,将公式简化为:焊头变换比=焊头节点上方横截面积÷焊头节点下方横截面积× 0.8。0.8的因素是考虑节点圆角过渡的影响。



通过此方法计算出后续试验焊接头的理论输出幅值为13.9um(峰对峰)。测量的振幅为15um(峰对峰)。这两个很接近。


实验的程序

选择非晶材料PC和半晶材料PP进行实验,确定两种材料所需的振幅。


杜肯伺服驱动超声焊接设备非常适合于测定振幅的试验。因为它的焊接头可以悬停,并产生压力测量数据,并与超声波振幅等数据相关联。从本质上讲,该装置的“熔体匹配”功能使焊接头以设定的压力接触产品,停止下降并触发超声波振动。超声振动传递到塑性焊缝位置。一旦该装置测量到压力降,表面聚合物就开始熔化。然后焊接头开始向下移动。


这个重要的函数可以帮助我们测量在给定的振幅和压力条件下塑性熔化的开始时间。我们定义从超声起始点到压降点的时间为“熔化起始时间”。对于每种材料,在不同的振幅下绘制熔化开始时间图。此外,对零件进行拉伸试验,确定振幅对焊接强度的影响。


结果与讨论

熔化开始时间和拉伸试验结果如下图所示。随着PP振幅的增大,强度逐渐增大,熔化起始时间逐渐缩短。PC具有一定的振幅。低于这个振幅,材料不会熔化。


我们普遍认为,非晶材料PC在温度高于玻璃化转变温度后,会随着温度的升高而表现出逐渐软化的特征。半结晶材料PP在达到熔点后会突然液化。


在本实验中,PP的性能逐渐变化可能与材料的柔软性有关。PC的快速变化可能是由于振幅不在正确的范围内造成的。需要进一步的实验,如增加PC幅值范围,或测量焊缝温度。


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