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超聲波焊接工藝參數(shù)（一）

2021-04-02 15:37
超聲波焊工藝參數(shù)超聲波焊接主要工藝參數(shù)有: 振幅 、焊接時(shí) 間 、保壓時(shí)間 、焊接壓力 、頻率等 。 最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設(shè)備而定 。 焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點(diǎn)和焊接接頭之間的距離 。 焊接能力受到塑料傳遞超聲振動(dòng)能力( 且零件不受到損傷) 的限制 。

頻率
超聲波常用的頻率有 20、30、40kHz ， 15kHz 常 用于半結(jié)晶性塑料 。20kHz 是最常用的超聲波頻 率，因?yàn)檫@一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和 功率容易達(dá)到，但它可能產(chǎn)生大量難以控制的機(jī) 械振動(dòng)，產(chǎn)生較少振動(dòng)的較高頻率( 40k Hz ) 是可行 的，一般用于焊接工程塑料和增強(qiáng)聚合物 。 高頻 率焊接設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)包括: 噪聲小 、 零部件尺寸小 、 增強(qiáng)零件保護(hù)( 由于減少循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外 部區(qū)域不加選擇的加熱) 、 提高機(jī)械能量的控制 、 降低焊接壓力 、 加快加工速度 。 缺點(diǎn)是由于零部 件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進(jìn) 行遠(yuǎn)場焊接 。 較高頻率超聲波焊機(jī)通常用于焊接 小型 、 精密零件( 如電氣開關(guān)) 及材料降解需較少 的零件 。 對于 15k Hz 的焊機(jī)能夠快速焊接大部分 熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比 20k Hz 焊機(jī)焊接 時(shí)的材料降解少 。 用 20kHz勉強(qiáng)能焊的零件( 尤 其是那些由高性能工程樹脂加工成的) ，用 15k Hz 能有效地焊接 。 在較低頻率下，焊頭有較長諧振 長度，在所有維度可以做得更大 。 采用 15k Hz 的 另一重要優(yōu)點(diǎn)是同使用較高頻率相比，大大降低 了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料 及更大的遠(yuǎn)場距離 。

振幅
成功焊接取決于焊頭端部的適當(dāng)振幅 。 對于所有變幅桿 / 焊頭組合，振幅是固定的 。 根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得適當(dāng)程度的熔化 。 一般說來，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅 。 現(xiàn)代超聲波焊接機(jī)上的過程控制允許分階 。 高振幅用于開始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度 。 增加振幅會(huì)改善剪切接頭設(shè)計(jì)零件的焊縫質(zhì)量 。 對于對接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質(zhì)量提高且焊接時(shí)間減少 。在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平 均 熱 耗率 ( Qavg ) 取決于材料的復(fù)合損耗模量( E’’ ) 、 頻率 ( ω ) 和作用應(yīng)變( ε0 ) : 
熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān) 。 在達(dá)到熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能 。 在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升( 達(dá) 1000℃ /s ) 。 作用應(yīng)變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過改變振幅來控制焊接界面的加熱 。 振幅是一個(gè)控制熱塑性塑料擠壓流動(dòng)速率的重要參數(shù) 。 高振幅時(shí)，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生大量飛邊及焊縫強(qiáng)度 較低 。 高振幅對于開始熔化是必需的 。 太低的振幅產(chǎn)生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固 。 當(dāng)增加振幅時(shí)，更大量的振動(dòng)能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應(yīng)力 。 在整個(gè)焊接循環(huán)過程中振幅恒定時(shí)，通常采用的是對待焊零件不至于產(chǎn)生過量損害的最高振幅 。 對于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如 ABS 和聚苯乙烯要大得多 。 這可能是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量 。 振幅可以機(jī)械調(diào)節(jié)( 通過更換變幅桿或焊頭) 或者電氣調(diào)節(jié)( 通過改變提供給換能器的電壓) 。 在實(shí)踐中，較大振幅調(diào)節(jié)采用機(jī)械方式而微調(diào)用 的是電氣方式 。 高熔點(diǎn)材料 、 遠(yuǎn)場焊縫及半結(jié)晶 性塑料通常需要比非結(jié)晶性塑料和近場焊縫更大 的振幅 。 非結(jié)晶性塑料典型的總振幅范圍是 30 － 100μm ，而結(jié)晶性塑料為 60 － 125μm。 振幅分階 ( amplitude profiling ) 能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熔體流動(dòng)和 一致的高焊縫強(qiáng)度 。 對于組合的振幅和力分階， 高振幅和作用力用于開始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向 。