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如何根据超声波焊接需求来确定超声波振幅

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一种确定超声波焊接所需最小振幅的方法

超声波焊接是工业上最常见的塑料焊接工艺之一。这一过程最重要的三个参数:振幅、持续时间(焊接时间)和力(焊接压力)。焊接时间和压力是在工艺开发后期容易调整的参数。而振幅往往开发前期已经确定,且后期改变困难,因此必须提前设计好适合的振幅。

超声波振动系统原理示意图

尽管根据行业积累的经验,许多通用材料有推荐的设计振幅。但是由于新开发的专用材料正在迅速增加,因此希望有一种实验方法来确定材料所需的最小振幅。在这里,我们介绍了一种确定最小所需振幅的可行方法。

焊头输出振幅的大小取决于设备频率、换能器输出振幅、调幅器(变幅杆)的变比,以及焊头外形设计。一种典型的焊头设计方法是:在低于材料疲劳极限应力的条件下,焊头设计的变比越大越好(即输出振幅越大越好)。如果需要减小振幅,通过更换更小变比的调幅器,或者调整电压来减小振幅。

然而,这种设计方法有一些缺点:

  1. 无法平均分配变比,即焊头变比与调幅器变比差异大。应注意:当焊头与调幅器有接近的变比时,超声波三联组(换能器+调幅器+焊头)的性能就会提高。

  2. 通过改变电压来降低焊头变比,同时会降低电箱输出的最大功率。例如,当振幅设置为50%时,原本输出功率2400W的电箱,实际输出为1200W。容易造成过载。

  3. 使用大振幅,会导致无法接受的零件损伤。例如,小横截面积的位置开裂,外观烫伤,并可能对薄膜、过滤膜和电子元器件造成损伤。

由于以上原因,前期定义好超声波焊接塑料所需的最小振幅非常重要。

超声波振幅及应力分布

2. 振幅计算

传递到塑料件上的振幅大小是换能器输出振幅,调幅器变比和焊头变比三者的乘积。

超声波振幅计算

换能器输出振幅、调幅器变比由超声波设备制造商提供,往往是固定的。但焊头变比是可以设计的。

焊头变比有一个近似的计算公式:焊头变比=焊头节点上方的质量÷焊头节点下方的质量。由于材料密度和长度相同,该公式简化为:焊头变比=焊头节点上方的横截面积÷焊头节点下方的横截面积×0.8。其中0.8系数是考虑节点处圆角过渡的影响。

超声波振幅计算

通过这种方法,计算以下试验中焊头理论输出振幅为13.9um(峰值到峰值)。实测振幅为15um(峰值到峰值)。两者接近。

3. 试验过程

选择一种非晶材料PC,以及一种半结晶材料PP进行实验,以确定两者材料所需要的最小振幅。

Dukane伺服驱动的超声波焊接设备,非常适合用于确定最小振幅试验。因为其焊头可以悬停,且生成压力测量数据,并与超声波振动振幅等数据关联起来。从本质上说,设备其“Melt-match”功能(熔速匹配功能)允许焊头以设定的压力接触产品,停止下降并触发超声振动。超声振动传递到塑料焊缝位置。一旦设备测量到压力下降,表面聚合物已经开始熔化。然后焊头开始向下运动。

这一重要功能,可以帮助我们在给定的振幅和压力条件下,测量出塑料熔化开始时间。我们定义从超声波起振点到压力下降点的时间叫做“熔化启动时间”。对每种材料在不同振幅下绘制了熔化启动时间图。此外,对零件进行拉力测试,以确定振幅对焊接强度的影响。

4. 结果与讨论

熔化启动时间和拉力测试结果见下图。有趣的是,PP随着振幅的增加,强度逐渐增加,熔化启动时间减小。而PC有一个明确的振幅,低于这个振幅,材料不熔化。

我们普遍认为:非结晶材料PC,在温度高于玻璃化转变温度后,随着温度增加会表现出逐渐软化特性。而半结晶材料PP在达到熔点时会表现出突然液化的现象。

在这次实验中,PP的逐渐变化的特性可能是由于这种材料的柔软导致。PC急剧变化特性可能是因为使用的振幅不在正确的范围内导致。需要进一步进行实验,例如增大PC振幅区间,或对焊缝位置的温度进行测量等。

5. 结论

这项工作提供了一种确定塑料所需最小振幅的实验方法和框架。材料开始熔化时间,与振幅、焊接强度的强相关性,也表明了这种估计最小所需振幅的测试方法是可行的。


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