超声波焊接工艺.ppt

超声波熔接工艺 UltrasonicWeldingTechnology 超声波熔接是一种快捷 干净 有效的装配工艺 用来装配处理热塑性塑料配件 及一些合成构件的方法 目前被运用的塑胶制品与之间的粘结 塑胶制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘结 它取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺是一种先进的装配技术 超声波熔接不但有连接装配功能而且具有防潮 防水的密封效果 什么是超声波熔接 超声波熔接的优点 1 节能环保2 无需装备散烟散热的通风装置3 成本低 效率高4 容易实现自动化生产5 焊接强度高 粘接牢固6 焊点美观 可实现无缝焊接 防潮防水 气密性好 超声波熔接的工作原理 超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50 60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能 供应给转换器 转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能 调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头 焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置 振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使塑胶熔化 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止 短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键 整个周期通常是不到一秒种便完成 但是其焊接强度却接近是一块连着的材料 超声波熔接的工作原理 如下图所示 振动能量从焊头传递到工件 工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化 从而焊接成一体 焊头HORN 工件 熔合 振动能 超声波熔接的工作原理 超声波熔接机的工作原理示意图 超声波熔接机工作原理图 电源 换能器 调幅器 焊头 常用的超声波熔接机介绍 No 1美国必能信公司Branson其它 HerrmannRincoSonitekDukane 常用的超声波熔接机 3000W以下 常用的超声波熔接机 3000W以上 常用的超声波熔接机 多头 超声波熔接技术的应用 1 熔接Welding2 铆接Staking3 埋植Insertion4 成型Swaging Forming5 点焊Spotwelding6 切除Degating7 其它用途Others 铆接 Staking 标准铆接方式 StandardProfileStake 圆盖铆接方式 DomeStake 咬花成型铆接方式 KnurledStake 平头铆接方式 FlushStake 中空铆接方式 HollowStake 高压铆接方式 HighPressureStake 埋植 Insertion 成型 Swaging Forming 点焊 SpotWelding 切除 Degating 超声波熔接适用的材料 哪些材料可以用超声波来焊接呢 由超声波的工作原理我们可以知道 超声波的实际功率并不大 工作时间短 所以产生的热量有限 所以一般只适用于一些熔点较低 400 以下 的材料 主要以热塑性的聚合物即塑料为主 我们主要了解一下各种塑料的熔接特性 一般来说 聚合物的熔点越高 其焊接所需的超音波能量越多 材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的 总的说来 愈硬的材料其传导力愈强 影响超声波熔接能量的因素 影响超声波熔接能量的因素 由前面的公式中我们可以看到影响超声波熔接的能量的因素有哪些 其具体表现有哪些呢 1 气压我们可以通过调压阀来调整 一般来说气压越大 能量越大2 下降速度超声波熔接机上有相应的旋钮 一般来说 下降速度越大 能量越大3 频率超声波熔接机器都有固定的频率 频率越大 能量越大4 振幅振幅的变化因素比较多 就一般来说 振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到5 时间我们可以调整焊接机的焊接时间 时间越长 焊接的能量越大6 保压时间保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间 时间越长 形成的焊点越稳定 变形越小 影响超声波熔接能量的因素 让我们回顾一下之前的超声波熔接机的工作原理图 超声波熔接机工作原理图 电源 换能器 调幅器 焊头 影响超声波熔接能量的因素 频率 换能器Converter作用 将电能转换成机械能组成 陶瓷晶片和传动头原理 电流经过换能器 令换能器内产生电磁振荡 再经过压电陶瓷片 令压电陶瓷片产生振动 振动经过金属头 传到调幅器表面振幅 20KHz 0 02mm30KHz 0 015mm40KHz 0 01mm 换能器的工作原理 磁伸缩 磁伸缩 MagnetostrictivePrinciple 影响超声波熔接能量的因素 调幅器 调幅器 Booster 影响超声波熔接能量的因素 焊头 焊头 Horn 影响超声波熔接能量的因素 焊头 焊头通常是一个半波长的共振金属块 将振动能量传递到工件上焊头的材料一般选择钛合金 铝合金以及钢铁焊头还可以根据需要进行以下的处理 高碳钢嵌入阳极处理镀铬 雕刻成型焊头 ContourMachinedHorn 全波长焊头 FullWaveHorn 复合式焊头 CompositeHorn 加装压板的焊头 PlungerOnHorn 真空焊头 VaccumHorn 切削焊头 CuttingHorn 影响超声波熔接能量的因素 振幅 超声波熔接夹具 底模 Fixture 在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑 这也是非常重要的 固定的夹具称之为底模 底模的设计主要要考虑以下几点 1 工件吻合这就要求定位准确且牢固 使得工件在焊接的过程中不会移动2 工件支撑要求支撑稳固 不然振幅会被消弱3 定位及取放方便缩短工作时间 提高生产率4 其它特殊要求 底模1 底模2 超声波熔接机参数调校 以BRANSON8800机型例基本调整程序如下 调幅器选择焊头调谐焊头 工件 底模之间的校准 调整 焊接压力焊接时间保压时间 调整 行程速度下降时间机械式止动器 被焊工件 负载监控表 过载 负载20 至95 过载时候压力较高减低下降速度降低动力触发值用较低比例的调幅器使用功率更大的焊机 焊接不充分增加焊接时间和压力采用更高比例的调幅器 焊接过度减少焊接时间或降低压力采用较低比例的调幅器 工件的检查或试验 欠佳 良好 参数记录 调幅器的选择 焊接面积 面积越大 需要振幅越高工件材料 PP PE 尼龙等较难焊的晶型树脂 需要的振幅较高工件构造 工件有细长的柱子或薄片等容易振裂的 应采用较弱的振幅 调谐器的选择 能源供应部份必须调谐得与换能器 调幅器 焊头的每种组合相配合正常情况 测试时 负载表的读数应少于20 异常情况 负载大于20 应检查 A焊头是否锁紧 B连接螺杆是否完好 C连接面是否清洁 D焊头是否有裂痕 用油涂于表面 测试音波时 可见到裂痕位置 对位与行程 对位焊头 工件与底模之间的对位工件放于底模 将气压放掉 焊头用力往下拉 对准接触面然后将底模在底板上固定好行程以方便取放工件为宜切记不能将焊头直接接触底模或底板的金属等硬质材料 很可能会导致换能器的破坏 压力 1 压力过低 会延长焊接时间 使工件表面产生疤痕或质量不佳2 压力过高 会使工件破裂 使界面结合欠佳 甚至过载 而终止超声 焊接时间与保压时间 1 过长的焊接时间 会产生飞边或质量下降 特别是严格密封的场合下 更要注意 2 过长的焊接时间 会使工件偏离焊接区 表面熔化或破裂 特别是有孔部位 模合线上或头角处 3 一般0 3S 0 5S 在有弹力装置 材料熔点高或材料有弹性时 要加大保压时间 如 PP PE等 动力触发器 用来控制超声波发出的时间旋钮刻度为1 23 刻度越大 压力越大 范围67N 734N除非要克服变形或需要压缩 弹簧 膜片 密封件 的元件 使用较高的触发压力外 一般都使用较低的触发压力1 5 一般开始参数 设置时 一般由小到大的原则每次调整一种参数压力表 20触发压力 1 5焊接时间 0 5S下降速度 1 5保压时间 1S 超声波熔接结构设计 超声波的熔接结构主要有两种 1 导熔线EnergyDirector2 剪切Shear其中导熔线是最常用的一种结构 也是相对比较稳定的一种结构 剪切的结构就相对比较难以控制 超声波熔接结构设计 导熔线 导熔线是在两个熔接面之一上形成一条三角形的凸出材料 它的的基本作用是聚集能量 使之可以尽快达到熔解的温度 从而得到更好的熔接效果 导熔线的基本设计如下图所示 实际应用时可根据具体要求改变 非结晶聚合物 半结晶聚合物 超声波熔接结构设计 导熔线 导熔线的优点主要有 1 增加熔接强度2 减少溢胶3 减少熔接时间4 需要较小的振幅导熔线的设计主要有以下几种 阶梯型导熔线 StepJoint 阶梯型导熔线主要用于外观上需要精确对位以及不溢胶的设计 沟槽型导熔线 Tongue Groove 沟槽型导熔线主要用于双边不溢胶且能提供对位的功能设计 其也具备一定的防水功能 十字交叉型导熔线 Criss Cross 十字交叉型导熔线是一组导熔线相互垂直交叉 能缩短熔接时间 减少熔接功率 增加熔接强度 但是容易产生段差及溢胶 间断式 连续式 垂直墙壁型导熔线 垂直墙壁型导熔线可以增加抗撕裂力以及减少溢胶 间断型导熔线 InterruptedEnergyDirector 间断型导熔线可以减少溢胶以及焊接能量 但是会降低焊接的强度 凿子型导熔线 KnifeEdgeWithTextureSurface 凿子型导熔线适用于壁厚较薄的零件 但是会降低焊接的强度 咬花导熔面 咬花导熔面主要用于增强熔接强度 如下图所示 防水的导熔线结构 防水的导熔线结构主要用于增加气密性 如下图所示 密封圈 剪切型熔接面 剪切型熔接熔接过程是 首先熔化开始接触的小面积材料 然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引到工件里头去 如图所示 剪切型熔接面 剪切型熔接的优点 1 熔接强度高 气密性好 2 适合所有的塑胶材料 特别是具提早固体特性的半结晶性塑胶剪切型熔接的缺点1 不适用形状复杂或者有直角的转角的结构2 熔接需要坚固的侧边墙壁支撑 不然会变形 3 需要较大的振幅及功率 只适用于小一点的工件 剪切型熔接面 剪切型熔接的熔接深度一般为1 25W 壁厚 最小为0 5W最大为1 75W 干涉量见下表 超声波熔接设计中应注意的问题 超声波熔接应避免以下的设计 超声波熔接设计中应注意的问题 焊头与工件的接触面积越大越好 如果小于熔接区域的面积 会很容易导致表面伤痕 超声波熔接设计中应注意的问题 远场与近场熔接近场熔接指的是熔接面距离焊头接触面的位置在6 356mm以内 大于6 356mm的称为远场熔接 一般尽可能避免远场熔接 近场熔接 远场熔接 超声波熔接设计中应注意的问题 薄膜效应在平的圆型的 壁厚薄的位置容易产生胶件烧穿的现象 解决措施如下 1 减少熔接时间2 改变振幅或频率 并进行振幅剖析3 增加壁厚4 工件内部增加支撑肋5 焊头上设计节点活塞 超声波熔接设计中应