超聲波焊接設備結構及原理分析

超聲波焊接設備結構功能原理分析

　如圖2所示，超聲波焊接設備由壓力機、超聲波發生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波焊頭和零件支撐工裝等組成。

1. 超聲波發生器

　　超聲波發生器的作用是將工頻（50 Hz或60 Hz）電壓轉變為超聲頻電壓。微處理器經由用戶界面控制焊接循環和反饋關鍵焊接信息給用戶。用戶界面也允許操作人員輸入所需的焊接參數。

2. 焊接套件(welding stack)/聲能系統焊接套件提供超聲機械振動，一般由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，在變幅桿中部固定在焊接壓力機上。焊接套件是有點類似音叉的諧振器。焊接套件的諧振頻率必須緊密匹配來自發生器的電信號的頻率（相差少于30 Hz）。

超聲波振動單元

     2.1 換能器通過逆壓電效應將來自于發生器的超聲頻電壓轉化為同頻率的超聲機械振動。它由夾于兩金屬（通常是鈦）塊之間的若干壓電陶瓷片組成。片與片之間有一薄金屬板形成電極。在正弦電信號經由電極提供給換能器時，壓電片膨脹和收縮，產生15~20 μm的軸向峰到峰運動。超聲波換能器是精密設備，應小心處理。

超聲波換能器結構示意圖

各種規格超聲波換能器

2.2 超聲波變幅桿

　　　變幅桿有兩個作用。其主要作用是放大換能器端部產生的機械振動并將振動傳給焊頭。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機上的位置。在換能器施加超聲能量時，變幅桿也膨脹和收縮。與焊接套件中的其它零件一樣，變幅桿是調諧裝置，因而它也必須在特定頻率共振以便將超聲能量從換能器傳至焊頭。為了有效地發揮作用，變幅桿必須是超聲波在其制造材質中的半波長或半波長的整數倍。一般為半波長。

幾種常用的超聲波變幅桿

2.3 超聲波焊頭

超聲波焊頭是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。與超聲波變幅桿一樣，焊頭也是調諧裝置，在大部分應用中也提供機械放大，焊頭的長度必須是超聲波在其制造材質中的半波長或半波長的整數倍。這保證焊頭端部有足夠的振幅實現焊接。振幅一般為30~120 μm。待焊零件和接頭設計決定焊頭的尺寸和式樣。焊頭的形狀至關重要，因為焊頭的軸向膨脹和收縮產生的應力會在高振幅情況下造成開裂。在某些應用中，焊頭加工有多個軸向狹槽。這是為了確保最大振幅位于縱向。焊頭端部將超聲能量傳給待焊零件。端部應專門設計以匹配零件來確保焊頭和零件之間實現最大能量傳遞。通常焊頭端部做成匹配零件輪廓的型材。約75%的焊頭是由鈦制成，約15%由鋁制成，其它焊頭由HRC54~56的淬硬鋼制成。鈦質輕、硬度適當、韌性好、聲學性能優是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質合金用于高磨損場合。但是其價格昂貴，難以機加工。鋁質輕、容易加工、聲學性能好、成本低，用于制作大零件焊接時的大焊頭和原型焊頭或需復雜加工的焊頭。鋁焊頭由于表面硬度低、容易磨損、疲勞性能差，不適合于長期生產應用，常用于小批量應用。為防止產生壓痕和減少磨損，鋁必須鍍鎳或鉻。在需耐沖擊或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金屬嵌件時，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強度低，只用于低振幅場合。復雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復合式焊頭（子母焊頭），這時基底焊頭采用鋁質，鈦或鋼次級焊頭與基底焊頭相連并引導能量。

3.   壓力裝置

　　壓力裝置用于固定焊接套件及施加焊接所需的作用力。它由固定工裝夾具的底座和施加作用力的氣缸組成。壓力機上帶有壓力表和調節閥以調節焊接作用力。應該注意的是某一超聲波焊接設備上設定的特定表壓與另一設定同一表壓的焊機提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力應該用測壓儀校準以便對不同焊機之間的焊接作用力進行直接比較。壓力機上也有流量控制閥可以對焊頭接近待焊零件的速度進行調節。有些焊接設備采用電磁力加壓系統取代傳統的氣缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件時是有益的。

4.   支撐工裝

　　壓力機底座固定焊接過程中支撐零件的工裝。支撐工裝是為防止下部零件在超聲波作用時發生移動專門設計的，它通常加工成緊密匹配零件表面輪廓的形狀。夾具從簡單到復雜的都有，由零件設計來決定。下部零件必須受到牢固放置和支撐。夾具或底座應可調確保零件垂直于焊頭。夾具可由若干材料加工而成。不銹鋼是最佳選擇，因為它容易機加工和拋光。特型夾具現在可直接經由CAD數據加工。較大的、復雜的、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質聚氨酯裝夾。

超聲波底模夾具要有足夠的支撐

上述介紹是基本型超聲波焊接機的結構，如需了解更多超聲波焊接設備的功能結構，請微信咨詢。