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超声波换能器原理

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发表时间:2019-05-23 10:57网址:http://www.chaoshengbohanjieji.com/h-nd-566.html

超声波换能器的工作原理

超声波换能器又叫超声波振子,是超声波焊接机的高频机械振动源及作用,就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动,超声焊接机用的换能器,目前有两种,一种是,磁致伸缩型换能器,另一种是压电陶瓷换能器

美式超声波换能器,带外壳保护套

磁致伸缩式换能器,由于效率低,性价比低,还需外加直流极化磁场,因此目前超声焊接机已经很少使用。

压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的,这种材料为压电晶体材料,在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量,这种材料在成熟外地发生形变时,在压电陶瓷晶体表面,会出现电荷,晶体内部产生电场,反之,当晶体呈受外电场作用时,金片会发生形变,这种现状称之为压电效应,前者称正电效应,或者称逆电效应。


超声波换能器是超声振动系统的核心部件,超声波换能器设计的好坏,关系到焊接机工作的效率,稳定性及寿命等,在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器,按照振动形式区别种类很多,如径向振动模式,纵向复合式振动模式,剪切振动模式,厚度振动模式等。超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件,需要的是高频率的纵向振动。使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。

超声波焊接振动系统原理示意图



压电换能器的结构:

压电陶瓷换能器的结构,由压电陶瓷晶片,电极片,前后盖等组成。后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的,高强度铝合金或者钛合金制造而成,它是利用了压电陶瓷的纵向效应器,陶瓷元件的极化方向,电场方向,机械振动方向,三者一致。这种换能器称纵向复合振动换能器,它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。

超声波换能器的振幅放大及分布

图为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图,图中两端是两块金属盖板,中间是压电陶瓷元件堆,压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片,一根应立螺杆,将这三部分紧固在一起着,称为预应力螺杆。他只陶瓷元件,具有较大的抗压强度,同时在大功率驱动下,陶瓷元件取压缩状态,从而避免膨胀所造成的破裂

夹心式超声波换能器结构

这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽,前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。对于超声焊接机来说,极谐振频率(串并联),,并联阻抗、静态电容,前和振速比等参数十分重要的。超声焊接机常用的正向振动换能器是半波长换能器,1/4波长换能器用的比较少。

恒波超声波塑料焊接机换能器

压电陶瓷换能器的优点:

1.陶瓷元件大都是具有较大的抗压强度,中心螺杆给予御用,另一方面在环境强度发生变化时增强,换能器的稳定性,另一方面确保原件在大功率驱动下取压缩状态,从而避免,陶瓷盘帐而造成的破裂,因为陶瓷材料的缺点是可允许的张应力小

一款美式高频超声波换能器结构图

2. 因为中间的集合部分是由一组电极轴在两端面的轴向极化圆环上组成,从而能用最大的有效耦合系数k33.

3. 圆环的数目及连接方式都有选择余地,从而能较宽的阻抗及频率范围设计换能器

4. 改变首尾金属盖板的材料尺寸,能够控制换能器的带宽,前后振速比和有效机电耦合系数等性能参数

15khz 2600W超声波换能器尺寸结构图

变幅杆的类型及作用:

变幅杆又叫聚能器,在声学系统中起着放大换能器输出的振幅并耦合传输到工件的作用。各种锥形杆都可以作为变幅杆,设计各种变幅杆,共同目标是指变幅杆的自振频率人,与换能器的推动频率谐振,并在结构上考虑合适的放大倍数,低的传输损耗,以及自身具备的足够机械强度。


变幅杆可分为纵向振动变幅杆,弯曲振动变幅杆,扭转振动变幅杆,其中纵向变幅杆可分为简单型,复合型。简单型又可以分为指数型,圆锥型,悬链型,阶梯形,而复合型由各种简单型变幅杆,根据实际需要组合而成的。

各种复合型超声波换能器

 由于在超声波塑料焊接中负载是固体,在加工过程中,需要始终施加一定的静压力,而且负载也不断发生变化,这种情况下不但要求变幅杆,要有足够大的放大系数,而且要有较高的工作稳定性和足够的弯曲劲度。用指数型变幅杆,悬链线型变幅杆,或其他,形式的复合型变幅杆比较合适,当不大要求很大的放大系数时,最好采用圆锥形变幅杆,或者是阶梯形变幅杆,因为它们的弯曲劲度较大,工作稳定性高,而且便于外形加工。


超声波变幅杆作用在疲劳条件下,设计师用重点考虑结构的强度,特别是声学系统个够,组员的连接部位,更是需要特别注意,材料的抗疲劳强度极窄,小震动是内耗式选择变幅杆材料的主要依据,目前常用的材料有45号钢,30CrMnSi超硬铝合金以及钛合金。


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