超聲波塑料焊接機工作原理解析示意圖

超聲波塑料焊接機原理

前 言

　　隨著塑料及復合材料的廣泛應用.人們越來越關心它們的拼接問題 。 就結合表面加熱方法而言,超聲波焊接的強度是最高的也是最靈活的。焊接質量的好壞不僅與功率、超聲發生器特性、超聲波焊接工藝參數有關·而且還與加壓系統的特性有關設計一套性能良好的氣動加壓系統是實現良好焊接所必需的 。

1.   超聲波塑料焊接機結構

　　一般地講,超聲波塑料焊接機由三大部分組成:超聲波發生器、聲學系統和加壓系統。超聲波發生器主要是將50Hz的工頻電轉換成超聲頻的交流用以激勵聲學系統;聲學系統將電能轉化為聲能.進而轉化成熱能.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為以下幾點:

(1)使焊頭和工件貼合緊密，令聲學系統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化為熱能 。

(3）當界面熔化形成接頭時,壓力的作用有利于塑料內部有機分子鏈的形成。

(4)在按頭凝固過程中，壓力的作用相當于對焊件的拘束.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度,因為它不僅影響上述幾個方面,同時也影響焊機輸出功率,- 般地講.焊接壓力增加,,得機輸出功率增加。

由此可見.良好加壓系統是超聲波焊接機系統中必需的。是保證得接質量的重要前提 。

2. 2   焊接工藝對加壓系統的要求

(1)穩定性   

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

(2)氣缸活塞運動速度可調   

　　為了實現焊接，氣缸活塞帶動聲學系統上下運動。就焊接工藝而言.上下兩種運動速度是不同的。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. 導致材料分子噴濺到界面。因而要求下降速度要可調， 同時為提高焊接效率、減少空耗時間. 聲學系統提起活塞時盡量短些.由于回抽速度對質量無影響·所以可維持一定的較快速度，來保證焊接效率。

(3)聲學系統的運行及導向機構

　　對聲學系統導向運行機構有如下要求:1平滑、摩擦阻力小; 2運行方向垂直于底座面 。因為滑道的摩擦、滯性會帶來運行的不平穩,壓力建立速度及壓力值的不穩，從而造成焊接質量的不穩 。同時聲學系統的運行方向與底座平面的垂直與否對焊接質量也有較大的影響。它直接決定焊件是否對稱均勻熔化,同時也影響聲學系統的特性, 對超聲波焊接機的要求增加 。 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構尺寸。

3   氣路系統設計

3.1   氣動系統的設計

　　為保證焊接質量，提高焊接效率·設計的氣動系統如圖2所示

超聲波塑料焊接機氣動原理圖

　　　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，待焊接過程開始后，氣閥可動作，氣體由上路進入，氣缸右端迫使氣缸活塞桿伸出.帶動聲學系統下降·焊頭接觸并壓緊焊接件、壓力不斷建立.直至壓力檢測開關動作，焊接開始?；钊麠U運行速度由節流閥決定。由于該節流閥采用單向節流.活塞桿回縮不節流.運行速度較大.從而減少了空耗時間。

3.2   壓力檢測開關

　　壓力檢測開關的作用是當預定的壓力達到后，啟動超聲波焊接信號。由于起振壓力的大小對焊接質量及聲學系統特性均有影響，所以對量壓 力信號的提取較為嚴格。從國外如瑞士超聲波焊接機來看,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.利用普通壓力表實現了起振壓力的無級調節控制，處理簡単.而且價格便宜，實際工作運行相當可靠且旦滿足精度要求。   

3. 3   元件選擇及設計裝配

(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為汽缸內徑;f為活塞桿上輸出壓力:P為氣源壓力,很據實際焊接壓力一般為幾十到上百公斤，經一系列的校核計算.本文采用日本SMC公司的167系列汽缸，其參數如下:最大壓力10.00bar:沖程100mm:汽缸內徑63mm.

(2)減壓閥   

　　它是氣壓系統中的關鍵.直接影明到焊接壓力的建立特性，從而影響焊接質量，所以它的選擇尤為重要。同時在其應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·要選擇調節范圍稍高于實際使用范圍。

(3)單向節流閥   

　　對于節流調速方式大致分西種·即進氣節流、出氣節流 。一般地講，出氣節流要好于進氣節流。因為前者可使汽缸活塞形成平穩壓差.而使活塞運行平穩 。如采用進氣節流，由于進出氣不平穂·因而可產生忽快忽慢忽走忽停的氣缸爬行現象 ,但由于超聲波焊接本身的特點決定需有一起振壓力， 如果節流設置在后.則氣缸右端一下達到焊接壓力，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，因為此時的實際工作壓力為活塞兩端壓力差。所以本文采用進氣節流.直接檢測汽缸右端壓力以決定焊接開始與否。為消除爬行現象，應盡量減小聲學系的運動軌道的摩按阻力，并力求氣缸安裝正確活塞不受偏載。

3.4   導向運行機構

　　由于超聲波塑料焊接工藝的特點,僅要求焊接頭在汽缸活塞帶動下進行上下運動,所以其運動副為滑動副即可。對子滑動導軌.其優點點是機械結構簡單、設計容易且剛性更大， 氣動驅動滑軌的主要問題是摩擦，所以導軌的設計準則是:減小摩擦、增加鋼性強度。_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所示的結構·采用兩個圓筒狀的棒作為導向桿,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公司的早期焊機采用的就是這種結構。就剛度而言，這種結構不如燕尾型。目前瑞士等國焊機采用燕尾型 。綜合上面的分析，本文聲學系統運行導向機構采用燕尾型·同時為減小庫擦力·在燕尾頂尖處加滾動軸承。

4　工藝實驗

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

對焊接后工件進行檢驗.焊接質量良好。

5   結     論

　本文設計的這套氣路系統在實際運行中可靠，満足了焊接工藝對氣動加壓系統的要求。恒波超聲波塑料焊接機就是采用上述結構。