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超聲波焊接技術要求

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超聲波焊接技術要求,超聲波焊接工藝的5個必要條件

超聲波焊接的基本原理,是將高頻電能轉化為高頻振動的機械能。這種往復振動傳遞給熱塑性塑料或者金屬,在塑料與塑料、塑料與金屬,或者金屬與金屬界面產生摩擦和熱量。

在超聲波焊接中,摩擦產生熱量使得兩個材料表面熔合在一起。在超聲波鉚接中,焊頭控制熔融塑料的流向,成型并壓緊零件。在超聲波螺母鑲嵌中,焊頭將金屬螺母打入塑料。

超聲波焊接系統有多種配置選擇,包括不同頻率(15Khz-50Khz),不同功率(600W-4800W),以及多種形式,如氣動超聲波焊接機,伺服超聲波焊接機,手持焊接機,非標焊接機,金屬超聲波焊接機等等。

超聲波焊接原理

影響超聲波焊接成功的因素也很多:模具(包括上焊頭和下底模)、頻率、材料、焊縫設計、焊接參數和零件注塑等。在本文,我們介紹5個主要因素。

1.焊接系統頻率

典型的超聲波焊接系統的頻率有15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根據產品尺寸、內部元器件種類、強度和外觀等要求,選擇適合的焊接頻率。一般可以參考以下幾個原則:

  • 對于小型和精密的電子產品(內含PCB板以及微電子元件)外殼焊接,使用高頻率40Khz焊接機焊接。40Khz焊接機振幅更小,焊接壓力也可以最小,能夠避免損傷產品內部電子元件。

  • 對于小型且有A類面外觀要求的產品。采用40Khz焊接機焊接,因振幅和壓力小,能夠改善外觀。

  • 對于中等尺寸和大尺寸的零件焊接,采用低頻15Khz或者20Khz焊接機。

  • 對于較軟的材料例如PP,以及剛度較差的薄壁件產品,采用低頻大振幅的15Khz焊接機焊接。

  • 對于遠場焊接,即焊頭距離焊縫位置較遠,例如大于12mm時,采用低頻大振幅的15Khz焊接機焊接。

  • 20Khz焊接機適合小型到中等尺寸大多數產品的焊接,也是目前使用最為廣泛的超聲波頻率。

2.材料

對于塑料的超聲波焊接,只適合對熱塑性塑料進行焊接。因為它們可以在特定的溫度范圍內熔化。而熱固性塑料加熱時降解,無法利用超聲波進行焊接。

熱塑性塑料的可焊接性,取決于材料剛度或彈性模量,密度、摩擦系數、導熱系數、比熱容、玻璃化轉變溫度Tg或熔化溫度Tm。

一般來說,剛性好的塑料表現出優異的遠場焊接性能,因為它們更容易傳遞振動能量。而彈性模量低的軟性塑料,因其會衰減超聲波振動,所以較難焊接。而對于超聲波鉚接或點焊則相反,塑料越軟,就越容易鉚接或點焊。

通常,塑料可分為非結晶(無定形)和結晶兩種。超聲波能量很容易在非結晶材料中傳遞,因此非結晶塑料容易進行超聲波焊接。而超聲波能量不容易在結晶材料中傳遞,因此焊接結晶塑料時需要更大的振幅和能量,同時也要小心設計焊縫。

可進一步影響可焊性的因素有含水率,脫模劑,潤滑劑,增塑劑,填料增強劑,顏料,阻燃劑和其它添加劑,以及實際樹脂等級。另外,還應注意不同材料之間相容性程度不同。某些材料的特定等級之間才有一定程度的相容性,其余則不相容。

最后,還要考慮焊接是近場焊接還是遠場焊接。焊頭接觸零件的位置到焊接筋的距離小于6mm的情況,叫做近場焊接。大于6mm',叫做遠場焊接。距離越大,振動衰減越大,焊接就越困難。

3.焊接接頭設計

影響超聲波焊接最關鍵、最重要的因素是接頭設計。當零件處于設計階段時,工程師應謹慎考慮和評估。焊接接頭有多種設計,有各自特點和優勢。選擇何種設計,取決于塑料類型、零件幾何形狀、焊接要求、注塑能力以及外觀要求等。

典型的接頭設計:

超聲波焊接筋

三角導能筋設計。這是超聲波焊接中最常用的設計,也是最容易注塑的設計。它的特點是在平面上有一個凸起的小三角,三角頂部是90或60度。因其尖點設計容易引導并集中振動能量,所以叫做導能筋。

超聲波導能筋

臺階縫設計,容易注塑成型,上下件可自定位,焊接強度高,熔融材料流入垂直間隙中。

溝槽式超聲波熔接線

溝槽縫設計,上下件可自定位,具有高強度、密封性好的特點,且內外側無溢料。缺點是要求一定的壁厚。

剪切式超聲波熔接線

剪切縫設計,一般用于要求高強度密封的較小尺寸的產品焊接,特別適用于結晶性塑料的焊接。

超聲波焊接線設計

Scarf接頭,這通常用于具有圓形或橢圓外形的零件上,提供高強度和高密封性,特別適用于結晶性塑料的焊接。

(以上焊縫設計詳解會在后續文章中推出)。

為了確定您的產品適合選擇哪一種焊縫設計,請咨詢超聲波廠家工程師或銷售人員。

4.工裝和焊頭

一般來說,客戶會選擇與焊接機相同品牌的工裝和焊頭。實際上,可以自由選擇其它品牌提供的工裝和焊頭,只要焊頭頻率與設備相同即可。

焊頭材料可選擇鋁合金、鈦合金和硬質合金鋼。工裝材料可選擇鋁合金、不銹鋼和樹脂模。如何選擇材料,一般要考慮塑料類型、材料玻纖含量、接頭結構和尺寸、焊接強度和使用壽命。例如,為了延長壽命,硬質合金鋼焊頭是一個最佳選擇。

超聲波焊頭可用FEA(有限元分析)進行設計和優化,允許工程師在實際制造前評估焊頭的振動情況和應力大小。最佳的焊頭設計,是具有均勻的輸出振幅,以及最小的應力。上圖中,左側圖片是優化前焊頭設計,振幅輸出不均勻。右側是優化后,輸出振幅均勻。

在焊頭設計和制造中,必須小心謹記對稱性——焊頭對稱性是至關重要的。不對稱的焊頭導致非軸向振動。徑向振動會大大增加應力,導致焊頭失效。

好的工裝設計也非常重要。工裝有兩個主要作用:(1)對齊焊頭下方的零件;(2)剛性支撐焊接區域。剛性支撐有助于將超聲波能量反射到焊縫位置,這也是為什么工裝通常是用金屬加工件。

為了增加焊頭耐磨性,提高使用壽命,可對焊頭表面進行碳化鎢處理或鍍鉻處理。工裝可分段設計,以更好的貼合產品。

5.焊接參數

在焊接過程中,焊接參數會影響焊接結果。這些參數包括振幅、焊接壓力、觸發壓力、焊接距離以及焊接能量。

不同類型的塑料需要不同的振幅大小。振幅可以通過軟件中百分比設置進行微調,或者通過更換不同變比的調幅器進行大范圍調節。焊接壓力可以通過旋鈕或者軟件設置進行調整。觸發壓力是指當焊頭壓住產品后,壓力達到某個設定值時,設備開始發超聲,該值可通過旋鈕或者軟件設置進行調整。

超聲波焊接過程有幾種控制方式:

  • 時間焊接模式,即設定超聲波焊接持續時間。

  • 距離焊接模式(位置焊接模式),即設定焊接的距離或者位置。

  • 能量焊接模式,即設定焊接的能量。

不同產品焊接適用不同的焊接模式。例如薄片焊接采用能量焊接模式,尺寸公差大的產品采用距離焊接模式,有高度公差要求的產品采用位置焊接模式。

另外,如果你愿意,可以對焊接過程中的所有參數進行監控,設置參數合格件區間,避免產生意外不良件。

塑料超聲波焊接屬于特殊工藝過程。產品開發初期應與超聲波設備商合作,利用設備商在該領域的經驗,對產品結構和焊縫設計進行評估,并對樣品進行焊接測試。以提高后續大批量生產的良率。


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