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影响超声波焊接成功的五个因素

点击次数:26  发布时间:2021-04-14

  超声波焊接的基本原理是将高频电能转化为高频振动的机械能。这种往复振动传递到热塑性塑料或金属,在塑料、塑料和金属之间或金属之间的界面上引起摩擦和热量。


  在超声波焊接中,摩擦产生的热量使两种材料的表面熔合在一起。在超声波铆接中,焊接头控制熔融塑料的流动方向,形成和压制零件。在超声波螺母镶嵌中,金属螺母由焊接头打入塑料中。


  超声波焊接系统有多种配置选择,包括不同频率(15Khz-50Khz)、不同功率(600W-4800W)、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(包括上焊头和下底模)、频率、材料、焊缝设计、焊接参数、零件注射成型。本文介绍了五个主要因素。


  1.焊接系统频率


  典型的超声波焊接系统的频率为15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根据产品尺寸、内部部件类型、强度和外观的要求选择合适的焊接频率。一般来说,我们可以参考以下原则:


  对于小型精密电子产品(包括PCB和微电子元器件)的外壳焊接,采用高频40Khz焊机。40Khz焊机幅度较小,焊接压力最小,可避免损坏产品内部电子元器件。


  对于有A类表面外观要求的小产品。用40Khz焊机焊接时,由于振幅和压力较小,外观可以得到改善。


  大中型零件的焊接应采用低频15Khz或20Khz焊机。


  15Khz低频大振幅焊机用于焊接PP等软质材料和刚性差的薄壁零件。


  对于远场焊接,即当焊接头距离焊接位置较远时,例如12mm以上,采用15Khz低频大振幅焊机进行焊接。


  20Khz焊机适用于中小尺寸的大部分产品焊接,也是目前应用最广泛的超声波频率。


  2.材料


  塑料的超声波焊接只适合焊接热塑性塑料。因为它们可以在特定的温度范围内融化。然而,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刚度或弹性模量、密度、摩擦系数、热导率、比热容、玻璃化转变温度Tg或熔化温度Tm。


  一般来说,刚性好的塑料由于更容易传递振动能量,所以表现出优异的远场焊接性能。低弹性模量的软塑料,由于衰减了超声振动,所以很难焊接。对于超声波铆接或点焊,相反,塑料越软,越容易铆接或点焊。一般来说,塑料可以分为非晶态和晶态。超声波能量在非晶材料中很容易传递,所以非晶塑料很容易被超声波焊接。但是超声波能量在晶体材料中不易传递,所以焊接晶体塑料时需要更大的振幅和能量,焊缝要精心设计。


  能进一步影响焊接性的因素包括含水量、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。此外,还要注意不同材料之间的不同相容性。某些等级的材料在一定程度上是相容的,而另一些则是不相容的。


  最后考虑焊接是近场焊接还是远场焊接。当焊头与焊肋之间的距离小于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,焊接越困难。


  3.焊接接头的设计


  影响超声波焊接的最关键和最重要的因素是接头设计。当零件处于设计阶段时,工程师应该仔细考虑和评估它们。焊接接头的设计有很多,各有特点和优势。设计的选择取决于塑料类型、零件几何形状、焊接要求、注射成型能力和外观要求。


  典型接头设计:


  三角形能量传导肋的设计。这是超声波焊接中最常用的设计,也是最容易注塑成型的设计。其特征是平面上有一个小的凸三角形,三角形的顶部呈90度或60度。由于其尖点设计易于引导和集中振动能量,故称为能量传导肋。


  阶梯缝设计易于注塑成型,上下可自行定位,焊接强度高,熔融物料流入垂直间隙。


  槽缝设计,上下可自行定位,具有强度高、密封性能好的特点,内外无溢出。缺点是需要一定的壁厚。


  剪切接头设计通常用于焊接要求高强度密封的小型产品,尤其是焊接结晶塑料。


  嵌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能,特别适用于焊接结晶塑料。


  (以上焊缝设计的详细说明将在后续文章中介绍)。


  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工程师或销售人员。


  4.工具和焊接头


  一般来说,客户会选择与焊接机相同品牌的工装和焊接头。其实你可以自由选择其他品牌提供的工具和焊头,只要焊头频率和设备一样。


  焊接头材料可选自铝合金、钛合金和硬质合金钢。模具材料可以是铝合金、不锈钢和树脂模具。如何选择材料,一般要考虑塑料的种类、玻璃纤维含量、接头结构和尺寸、焊接强度和使用寿命。比如为了延长使用寿命,硬质合金焊头就是**的选择。超声变幅杆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变幅杆的振动和应力。焊头的最佳设计是输出幅度均匀,应力最小。上图左图是优化前的喇叭设计,幅度输出不均匀。右边优化后输出幅度均匀。


  在焊接头的设计和制造中,必须仔细记住——焊接头的对称性非常重要。不对称喇叭导致非轴向振动。径向振动会大大增加应力,导致焊头失效。


  好的工装设计也很重要。工装主要有两个作用:(1)对准焊头下的零件;(2)刚性支撑焊接区。刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊缝位置,这也是金属工件通常用于工装的原因。


  为了提高焊接头的耐磨性和使用寿命,焊接头的表面可以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。幅度可以通过软件中的百分比设置进行微调,也可以通过更换不同比例的幅度调制器进行大范围调整。焊接压力可以通过旋钮或软件设置来调节。触发压力是指当焊头压下产品后压力达到一定设定值时,设备开始发射超声波,可以通过旋钮或软件设置进行调整。


  超声波焊接过程有几种控制模式:


  时间焊接模式,即设置超声波焊接的持续时间。


  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,即设置焊接能量。


  不同的焊接方式适用于不同产品的焊接。比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。


  此外,如果你愿意,你可以监控焊接过程中的所有参数,并设置合格零件的间隔,以避免意外的缺陷零件。


  塑料超声波焊接是一种特殊的工艺。在产品开发初期,应与超声波设备供应商合作,利用该领域设备制造商的经验,对产品结构和焊缝设计进行评估,并对样品进行焊接试验。从而提高后续量产的良率。


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