超声波模具原理与超声波模具设计

超声波模具原理与超声波模具设计　　

　　塑胶制品单面工件经注塑机注塑成型后，必须用物理或化学方法跟另一面进行连接。超声波焊接是高效、高质和低耗的连接方法。也是目前应用最广泛、最简单快捷的连接方式。　　

　　超声波焊接的原理是用超声波发生器产生的15000Hz、20000Hz或更高频率的机械能，通过调幅器及焊头（Horn）传递到工件表面，使塑料件产生内摩擦热，从而使塑胶熔融连接。在此过程中，超声波模具（Horn）是至关重要的部件之一。要将热塑性材料焊接成一件好的工件就绝对离不开一个好的焊头。好的焊头必须经专业工程师的精确设计，切勿认为设计一个焊头也需要工程师是在小题大做。许多半懂不懂的山寨公司，只知道依葫芦画瓢地照抄别家公司的模具设计，最终产生非常不理想的焊接效果，甚至把客户的机器损坏。使用一个加工设计不当或未经过调谐的焊头，将给客户的生产带来巨大的损失，既达不到良好的焊接效果，甚至会导致超声波换能器和超声波发生器的损坏。

　　　因此，对客户的生产来说，找一家专业的公司，设计专业的匹配的超声波模具是极端重要的。如何用最经济的方法设计出最适合你产品的模具是一门精深的学问，我们恒波超声波公司传承自德国的专业技术，有一大批训练有素的专业设计师团队为客户解决这些问题。如果有需求，您可以登入我们公司网站（www.chaoshengbo.cc）,亦或直接通过拨打我们公司的电话咨询（13510929282）。

　　超声波模具的设计是超声波技术中极具深度的，根据我们恒波超声波设备有限公司从事超声波领域研究十几年的经验，我们工程师能够根据客户的要求将焊头的声学要求和机械特性完美的结合起来，设计出最符合客户需求的产品。

一．超声波模具材料的选择

　　超声波‍模具要求金属材料柔顺性好，较低的阻抗，使声波传递过程中能量损耗小；同时必须具有较好的抗疲劳强度。 常用的超声波模具材料为铝合金、钛合金、钼合金、不锈钢或合金钢。钛合金模具耐磨且强度高，在多方面比铝合金模具有优势，不管是模具的寿命还是产品焊接出来的效果，但钛合金的价格昂贵，适合用于焊接要求高振幅或高耐磨性的产品。铝合金模具耐磨损和抗疲劳强度都不如钛合金，适合用来制作低振幅下的大塑件的焊接模具。不锈钢和合金钢的自身频率损耗较大，会降低焊接模具的振幅，不常用来制作超声波模具。但常用来作为塑件的金属嵌件，用超声波压入塑件等等。

　　对于高振幅和高磨损场合，超声波模具的工作段适宜使用金属碳化物，如碳化钛或镶嵌碳化钨。

　　材料本身的质量对超声波的传播效率和耐磨程度具有至关重要的影响。 材料当中极小的孔隙，都会对模具质量产生极大的影响。

二．超声波模具的构造

　　超声波焊头通常设计成半波长的共振原件，以便使塑件接触面获得最大的振幅，从而把震动最大限度地传递到塑件的熔接线上，产生有效的熔接。半波长的超声波模具的长度计算应根据该频段的超声波在该种模具材料中的传递速度以及超声波频率，计算出模具的大概长度。精确的长度还应该考虑模具的结构形状对传播速度的影响。设计模具时应尽可能利用并放大超声波的纵向震动波，即模具的顶点运动方向与波的推进方向一致的波。振幅与振动方向垂直的横向波，指点的运动不能有效传播到塑件间的连接面，会分散降低有效纵波的能量，并使模具产生横向抖动，从而产生不均匀的焊缝，大大影响产品的焊接质量以及模具的使用寿命。另有一种曲线波，是纵向波与横向波合成的，也是对焊接十分有害的。

　　正确的模具结构设计既要根据产品的外形做出准确的仿形，更要根据超声波传播的规律，尽可能利用并扩大纵向波的振幅，同时最大限度地抑制或消灭横向波和曲波的存在。高明的设计师可以有效判断超声波的传播规律，并找出最好的解决办法。设计超声波模具时，应该保持对称的设计，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，不均衡振动会导致焊头发热及断裂。

　　除了产品的外形和超声波传播的规律之外，产品的熔接线形状、被焊接产品的材质、结合面的位置、焊头的距离以及产品焊接完成后的水气密要求、强度要求等因素，也是超声波模具设计需要考虑的重要问题。大的粗的熔接线，必须匹配高振幅的超声波模具；弹性模量较大的刚性热塑性塑料具有良好的可焊接性，比如PC、ABS、PS、SAN等等。弹性模量较小的柔软塑料，自身会较多地损耗震动能量，焊接较困难，比如PP、pvc等等。难以熔接的被焊接产品，需要匹配大功率的机器和高振幅的超声波模具；结晶性聚合物具有明显的熔点，焊接时比无定形聚合物容易控制。结晶性聚合物传递超声波能量较为困难，故无定形聚合物需要更多的焊接能量。模塑制品在成型中使用的填料、脱模剂、硬脂酸锌和硅油等等也会影响焊接质量，回收料（水口料）、降解塑料等也会影响焊接质量。以上这些都是设计超声波模具时需要考虑的因素。任何地方出错，都有可能使焊接出来的产品不符合要求。有经验的超声波模具设计师总会问清楚客户这些方面的具体内容，才着手设计，做到有的放矢，事半功倍。

　　采用合适的超声波模具形状和合理的振幅设计，可使焊接的产品达到水、气密，实现高效清洁的熔接。

　　结合面的位置必须和焊头那条中心轴垂直且平行于焊头的前结合面。这些结合面必须处于同一水平线上。如果无法做到这些，那就是制造这台机器的制造商的技术水平问题了。基本上焊头与结合面的距离则越小越好。越远则需要越大的振幅。基本上模具上所有的边和角都必须倒角。建议至少倒角0.2到0.5毫米，这一点对于一些比较硬的塑料特别重要。

三．超声波模具的振幅参数

　　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。由于各个公司的超声波线路及换能器性能不同，所输出的震动幅度也各异。从而必须经过适配不同变比的变幅杆及超声波模具，才能够校正超声波模具的工作振幅，以符合需要产品的焊接要求。经常用的换能器的输出振幅约10—20μm，而超声波模具工作振幅一般30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状、前后面积比等因素密切相关。指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等形状，分别对变比产生不同的影响，前后面积比与总变比成正比。设计超声波模具时，需要综合考虑电箱的线路、变幅杆的形状、变比等因素，以选择合理的模具放大比。

四．超声波模具频率参数

　　每一台超声波焊接机都有一个中心频率，焊接机的工作频率主要由换能器、变幅杆、和焊头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，每一个部份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±0.5 KHz，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0.1 KHZ，如 20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在19.80—20.00 KHz，控制误差在5‰的范围内。

　　总体来说，不管是超声波模具制造还是产品焊接，我们都必须根据客户的原材料的特性及各种实际情况来操作，只有这样，才能达到最令人满意的焊接效果。