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超聲波換能器常見問題

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本文所述超聲波換能器維修,是指超聲波振動單元的“三聯件件”包括超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波焊頭。

最近一位客戶咨詢我,生產線上超聲波焊接工序出現了不良率升高的問題。經過遠程的一系列排查,最終查明原因是“三聯組”松動。那么問題來了——“什么時候松動?”“那這幾天的產品,是做報廢處理還是全部進行檢查?”。這些造成了時間和金錢的浪費。其實,對于現場的工程師,如果能夠認識“三聯組”的基本知識,就能夠及時發現問題,避免發生更多的損失。

超聲波”三聯組“由換能器、調幅器和焊頭組成。這三個單元之間接合面的質量,對超聲波焊接效率產生重大影響。如果接合面平面度不良,或被氧化、腐蝕或接觸不良,就會成為超聲波振動傳遞的薄弱環節。這將導致功率輸出損耗,改變固有頻率,增加噪音,產生過多熱量導致換能器損壞。

超聲波換能器振動單元

一、超聲波換能器故障原因

  • 焊頭產生裂紋原因

    • 金屬焊頭與金屬零件/治具接觸;

    • 疲勞破壞;

    • 結構設計不良——輸出振幅不均,有尖角,橫截面劇烈變化,調整到不正確的頻率;

    • 選擇不正確的材料(D-2鋼應僅用于低振幅應用,Ti適用于大振幅應用以及大批量生產,AL因許用應力較低僅適用于小批量生產);

    • 輸出振幅過大,導致更快的疲勞;

    • 焊頭擰緊力矩過大;

    • 連接螺絲擰緊力矩過大;

    • 材料缺陷;

    • 焊頭表面承受不均勻焊接壓力。

  • 調幅器產生裂紋原因,與上述焊頭產生裂紋原因一致,還包括;

    • 連接的焊頭不合理設計,或者焊頭固有頻率不正確;

  • 換能器失效原因

    • 跌落導致內部陶瓷片損傷;

    • 焊頭設計不合理,焊頭頻率不正確;

    • 連接的調幅器,擰緊力矩過大;

    • 環境潮濕,水汽進入換能器內部;

    • 來自焊頭的沖擊(例如螺母鑲嵌);

    • 熱量傳導;

    • 擰緊調幅器時,沒有使用月牙扳手固定換能器。

    • 超聲波模具安裝

二、調整修復超聲波換能器(超聲波振動單元)

定期檢查”超聲波振動系統“以確保組件處于良好的工作狀態非常重要。此外,您可以采取以下幾個步驟來重新調整”超聲波振動單元“。

  1. 將超聲波換能器、超聲波調幅器和超聲波焊頭分別拆下,并用干凈的布或紙巾擦拭配合表面,去除污漬;

  2. 檢查表面。如果看起來狀況良好,請跳至步驟9。如果表面被腐蝕,則應對其進行修復(步驟3-8)。如果表面發生凸起,凹陷或者其他不平整問題,請聯系超聲波行業專業人士尋求建議。表面上存在非常小的點蝕,一般不是嚴重問題;

  3. 請拆下連接螺絲,檢查螺絲螺牙、孔螺牙是否損壞;

  4. 將干凈的#400目(或更細 # 800目)砂紙粘貼在干凈、光滑、平整的表面上,一般為大理石臺面或者玻璃臺面;

  5. 將組件豎直放置在砂紙上,并在砂紙上沿著一個方向進行平推。不要施加壓力,僅靠組件單元本身的重量打磨就足夠了。這里尤其注意:保持小心,防止因組件傾斜,導致表面平面度變差,影響焊接;

  6. 執行第二次,然后將組件單元旋轉三分之一圈并重復打磨;

  7. 再將組件單元轉動三分之一圈,并執行相同的打磨動作。確保在每個角度,執行相同數量的打磨次數;

  8. 重新檢查配合表面,并重復步驟5到7,直到大部分污染物被清除;

  9. 使用干凈的布或毛巾清潔螺絲螺牙,以及螺紋孔中的所有異物、油脂和油;

  10. 用制造商指定的螺絲更換磨損或損壞的連接螺絲。普通鋼制螺絲未經過適合的熱處理,不能使用;

  11. 用耐高壓硅油脂輕輕涂抹配合表面,或使用耐高溫塑料薄膜墊圈(二選一),以促進超聲波振動的良好傳輸,并防各組件單元“粘接”在一起。(平面度良好的情況下,可以不使用硅油脂以及塑料墊圈)

  12. 使用正確扭矩擰緊三聯組,如下方附表中所示。三聯組松動會導致過載,而擰緊過度會導致材料變形,從而縮短部件的使用壽命;

  13. 將”三聯組“安裝在焊機上,并進行測試。

超聲波焊頭安裝扭力

三、關于平面度說明

換能器與調幅器之間,調幅器和換能器之間的配合面必須平坦且平行。如果存在氣隙,則會導致功率輸出和效率的損失,以及超聲波發生過載報錯,無法啟動。

中間隆起或接觸表面不均勻的情況,通??梢酝ㄟ^觀察接觸表面的磨損情況來判斷。磨損嚴重,表明該局部區域發生接觸。

通常接合面平面度有如下技術要求:

  • 換能器:20 kHz時為0.0127mm,40 kHz時為0.0127mm;

  • 調幅器:20 kHz時為0.0254mm,40 kHz時為0.0127mm;

  • 焊頭:20 kHz為0.0254mm,40 kHz為0.0254mm。

拆卸超聲波焊頭的方向

四、超聲波換能器單元裝配

  • 螺絲擰入力矩,1.4-2Nm;

  • 換能器與調幅器,調幅器與焊頭之間擰緊力矩:15Khz應用,61Nm;20Khz應用,47.5Nm;30Khz應用,24.4Nm;40Khz應用,24.4Nm。


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