超聲波模具原理與超聲波模具設計

超聲波模具原理與超聲波模具設計　　

　　塑膠制品單面工件經注塑機注塑成型后，必須用物理或化學方法跟另一面進行連接。超聲波焊接是高效、高質和低耗的連接方法。也是目前應用最廣泛、最簡單快捷的連接方式?！　?/span>

　　超聲波焊接的原理是用超聲波發生器產生的15000Hz、20000Hz或更高頻率的機械能，通過調幅器及焊頭（Horn）傳遞到工件表面，使塑料件產生內摩擦熱，從而使塑膠熔融連接。在此過程中，超聲波模具（Horn）是至關重要的部件之一。要將熱塑性材料焊接成一件好的工件就絕對離不開一個好的焊頭。好的焊頭必須經專業工程師的精確設計，切勿認為設計一個焊頭也需要工程師是在小題大做。許多半懂不懂的山寨公司，只知道依葫蘆畫瓢地照抄別家公司的模具設計，最終產生非常不理想的焊接效果，甚至把客戶的機器損壞。使用一個加工設計不當或未經過調諧的焊頭，將給客戶的生產帶來巨大的損失，既達不到良好的焊接效果，甚至會導致超聲波換能器和超聲波發生器的損壞。

　　　因此，對客戶的生產來說，找一家專業的公司，設計專業的匹配的超聲波模具是極端重要的。如何用最經濟的方法設計出最適合你產品的模具是一門精深的學問，我們恒波超聲波公司傳承自德國的專業技術，有一大批訓練有素的專業設計師團隊為客戶解決這些問題。如果有需求，您可以登入我們公司網站（www.chaoshengbo.cc）,亦或直接通過撥打我們公司的電話咨詢（13510929282）。

　　超聲波模具的設計是超聲波技術中極具深度的，根據我們恒波超聲波設備有限公司從事超聲波領域研究十幾年的經驗，我們工程師能夠根據客戶的要求將焊頭的聲學要求和機械特性完美的結合起來，設計出最符合客戶需求的產品。

一．超聲波模具材料的選擇

　　超聲波?模具要求金屬材料柔順性好，較低的阻抗，使聲波傳遞過程中能量損耗??；同時必須具有較好的抗疲勞強度。 常用的超聲波模具材料為鋁合金、鈦合金、鉬合金、不銹鋼或合金鋼。鈦合金模具耐磨且強度高，在多方面比鋁合金模具有優勢，不管是模具的壽命還是產品焊接出來的效果，但鈦合金的價格昂貴，適合用于焊接要求高振幅或高耐磨性的產品。鋁合金模具耐磨損和抗疲勞強度都不如鈦合金，適合用來制作低振幅下的大塑件的焊接模具。不銹鋼和合金鋼的自身頻率損耗較大，會降低焊接模具的振幅，不常用來制作超聲波模具。但常用來作為塑件的金屬嵌件，用超聲波壓入塑件等等。

　　對于高振幅和高磨損場合，超聲波模具的工作段適宜使用金屬碳化物，如碳化鈦或鑲嵌碳化鎢。

　　材料本身的質量對超聲波的傳播效率和耐磨程度具有至關重要的影響。 材料當中極小的孔隙，都會對模具質量產生極大的影響。

二．超聲波模具的構造

　　超聲波焊頭通常設計成半波長的共振原件，以便使塑件接觸面獲得最大的振幅，從而把震動最大限度地傳遞到塑件的熔接線上，產生有效的熔接。半波長的超聲波模具的長度計算應根據該頻段的超聲波在該種模具材料中的傳遞速度以及超聲波頻率，計算出模具的大概長度。精確的長度還應該考慮模具的結構形狀對傳播速度的影響。設計模具時應盡可能利用并放大超聲波的縱向震動波，即模具的頂點運動方向與波的推進方向一致的波。振幅與振動方向垂直的橫向波，指點的運動不能有效傳播到塑件間的連接面，會分散降低有效縱波的能量，并使模具產生橫向抖動，從而產生不均勻的焊縫，大大影響產品的焊接質量以及模具的使用壽命。另有一種曲線波，是縱向波與橫向波合成的，也是對焊接十分有害的。

　　正確的模具結構設計既要根據產品的外形做出準確的仿形，更要根據超聲波傳播的規律，盡可能利用并擴大縱向波的振幅，同時最大限度地抑制或消滅橫向波和曲波的存在。高明的設計師可以有效判斷超聲波的傳播規律，并找出最好的解決辦法。設計超聲波模具時，應該保持對稱的設計，以避免聲波傳遞的不對稱性導致的不均衡應力及橫向振動，不均衡振動會導致焊頭發熱及斷裂。

　　除了產品的外形和超聲波傳播的規律之外，產品的熔接線形狀、被焊接產品的材質、結合面的位置、焊頭的距離以及產品焊接完成后的水氣密要求、強度要求等因素，也是超聲波模具設計需要考慮的重要問題。大的粗的熔接線，必須匹配高振幅的超聲波模具；彈性模量較大的剛性熱塑性塑料具有良好的可焊接性，比如PC、ABS、PS、SAN等等。彈性模量較小的柔軟塑料，自身會較多地損耗震動能量，焊接較困難，比如PP、pvc等等。難以熔接的被焊接產品，需要匹配大功率的機器和高振幅的超聲波模具；結晶性聚合物具有明顯的熔點，焊接時比無定形聚合物容易控制。結晶性聚合物傳遞超聲波能量較為困難，故無定形聚合物需要更多的焊接能量。模塑制品在成型中使用的填料、脫模劑、硬脂酸鋅和硅油等等也會影響焊接質量，回收料（水口料）、降解塑料等也會影響焊接質量。以上這些都是設計超聲波模具時需要考慮的因素。任何地方出錯，都有可能使焊接出來的產品不符合要求。有經驗的超聲波模具設計師總會問清楚客戶這些方面的具體內容，才著手設計，做到有的放矢，事半功倍。

　　采用合適的超聲波模具形狀和合理的振幅設計，可使焊接的產品達到水、氣密，實現高效清潔的熔接。

　　結合面的位置必須和焊頭那條中心軸垂直且平行于焊頭的前結合面。這些結合面必須處于同一水平線上。如果無法做到這些，那就是制造這臺機器的制造商的技術水平問題了?；旧虾割^與結合面的距離則越小越好。越遠則需要越大的振幅?；旧夏＞呱纤械倪吅徒嵌急仨毜菇?。建議至少倒角0.2到0.5毫米，這一點對于一些比較硬的塑料特別重要。

三．超聲波模具的振幅參數

　　振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數，相當于鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。由于各個公司的超聲波線路及換能器性能不同，所輸出的震動幅度也各異。從而必須經過適配不同變比的變幅桿及超聲波模具，才能夠校正超聲波模具的工作振幅，以符合需要產品的焊接要求。經常用的換能器的輸出振幅約10—20μm，而超聲波模具工作振幅一般30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀、前后面積比等因素密切相關。指數型變幅、函數型變幅、階梯型變幅等形狀，分別對變比產生不同的影響，前后面積比與總變比成正比。設計超聲波模具時，需要綜合考慮電箱的線路、變幅桿的形狀、變比等因素，以選擇合理的模具放大比。

四．超聲波模具頻率參數

　　每一臺超聲波焊接機都有一個中心頻率，焊接機的工作頻率主要由換能器、變幅桿、和焊頭的機械共振頻率所決定，發生器的頻率根據機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，如一般設定為±0.5 KHz，在此范圍內焊接機基本都能正常工作.我們制作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.80—20.00 KHz，控制誤差在5‰的范圍內。

　　總體來說，不管是超聲波模具制造還是產品焊接，我們都必須根據客戶的原材料的特性及各種實際情況來操作，只有這樣，才能達到最令人滿意的焊接效果。