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浙江清大超声波设备有限公司

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超声波模具的设计与制作

2021-08-09 16:02
你可能经常会有这样的想法:超声波模具的设计和生产是非常的简单。千万不要被误导,当使用一个加工不当或是未经过调谐的焊头,将给你的生产带来昂贵的损失——它会破坏焊接效果,甚至更严重的会直接导致换能器或发生器的损坏。
因此,超声波模具的设计,不像它的外形那样简单,相反,需要很多的专业知识和技能,那么,如何保证焊头能够经济地工作?如何保证焊头能够将换能器转换的机械振动能有效地传递到工件上,形成持续稳定的焊接?
超声波模具,是超声波技术中有技术深度的一个方面。即使已经拥有几年的设计和开发经验,我们还是坚信,只有通过严格的测试和质量控制,才能生产出好焊头。我们的工程师将焊头的声学特性和机械特性地结合起来,设计出符合客户需要的产品。
我们生产的每一套焊头和模具,不管是标准产品,还是根据客户要求定制的,都是用好的材料制成的,同时经过反复的测试。焊头的外形、强度以及音频等各种参数经过多次试验,能符合为严格的标准,焊头和模具达到的匹配。
一.模具的振幅参数
振幅,对于需要焊接的材料来说是一个关键参数,相当于铬铁的温度,温度达不到,就会熔接不上;温度过高,就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。
因为每一间公司选择的换能器不同,换能器输出的振幅都有所不同,经过适配不同变比的变幅杆及焊头,能够校正焊头的工作振幅以符合要求,通常换能器的输出振幅为10-20μm,而工作振幅一般为30μm左右,变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状、前后面积比等因素有关。以形状来说,如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等,对变比影响很大,前后面积比与总变比成正比。若贵公司选用的是不同公司品牌的焊接机,简单的方法是,按已工作的焊头的比例尺寸制作,能保证振幅参数的稳定。
二.模具频率参数
任何公司的超声波焊接机都有一个中心频率,例如20KHz、40KHz等,焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆(Booster)和焊头(Horn)的机械共振频率所决定。
发生器的频率根据机械共振频率调整,以达到一致,使焊头工作在谐振状态,每一个部分都设计成一个半波长的谐振体。发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围,如一般设定为±0.5KHz,在此范围内,焊接机基本都能正常工作。我们制作每一个焊头时,都会对谐振频率作调整,要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1KHZ,如,20KHz焊头,我们焊头的频率会控制在19.90-20.10KHz,误差为5‰。
三.振动节点
焊头、变幅杆,均被设计为一个工作频率的半波长谐振体。在工作状态下,两个端面的振幅大,应力小,而相当于中间位置的节点振幅为零,应力大。节点位置一般设计为固定位,但通常的固定位设计时厚度要大于3mm,或者是凹槽固定,所以,固定位并不是为零振幅,这样就会引致一些叫声和一部分的能量损失,对于叫声,通常用橡胶圈同其它部件隔离,或采用隔声材料进行屏蔽;能量损失在设计振幅参数时予以考虑。
四.加工精度
超声波焊头,因为工作于高频振动情况下,应尽量保持一个对称设计,以避免声波传递的不对称性导致的不均衡应力及横向振动(我们所用于焊接的焊头,利用的是超声波振动的纵向传递,对于整个谐振系统而言),不均衡振动能导致焊头发热及断裂。
超声波焊接应用于不同行业,对加工精度要求是不同的。对于特别薄的工件,如锂离子电池极片与极耳的焊接、金箔等的包覆等,对加工精度的要求非常高,我们所有的加工设备均采用数控设备(如加工中心等),这样才能保证加工出来的精度符合要求。
五.模具使用寿命
一只焊头的使用寿命,关键决定于两个方面:一、材料,二、工艺。
材料方面:
超声波焊接要求金属材料有柔顺性(声波传递过程中机械损耗小)好的特点,所以,常用的材料为铝合金及钛合金。
材料是保证超声波模具寿命与熔接产品效果的主要原因之一。模具完成的过程是复杂的,所以,不仅是模具工程师设计务必慎重选择材质,亦需了解本身产品要求该使用何种材质,避免因疏忽而影响其时效与品质。
1.铝镁合金(7075T651,2024T651,6061T651)
(1)7075T651:使用于振动系统及焊头制造,该材料具有高机械屈服强度,硬度高,热传导性强,是理想的超声波模具制造材料;
(2)2024T651:一般使用与焊头制造,韧性佳,热传导性强,硬度适中,用于一般塑胶制品;
(3)6061T651:使用于较低出力之焊头制造,韧性佳,质较软。
2.钛合金
用于连续发振的机种,韧性较高,热传导佳,硬度高,而成本昂贵。
3.国产硬质铝合金
国产料,用于普通铝材加工,热传导低,对超音波机械损耗高,成本低
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