伺服压力精密控制超声波焊接机的发展

伺服电机精密压力控制超声焊接的最新进展是由对塑料零件的需求所推动的，这些零件往往比过去更小，更轻，壁更薄且轮廓更明显。越来越多的这些部件还包含嵌入式电子设备和传感器，在超声波焊接过程中需要特别小心。

为了满足精密塑胶零件行业对这些更小，更精细的组件中可重复，牢固且一致的焊缝的需求，需要开发改进的超声焊接技术。也许最近最重要的改进是开发了新的、更精确的力控制方法。这需要对超声波焊接致动器及其微处理器控制进行一系列更改。

为了实现所需的更大和更精确的力控制水平，恒波超声波焊接技术的开发人员不仅考虑了气动执行器的能力（仍然是行业标准），而且还考虑了伺服控制和技术的快速发展能力。

他们的解决方案是新的机电驱动系统，最近在艾默生的 Branson GSX 焊机中引入。这种新型焊接平台及其先进的驱动系统的一个关键属性是在整个焊接过程中显着提高精确度和响应性的力控制。下压力对于保持喇叭/零件接触并确保超声波能量平稳、有效地传输到配合零件中是必要的。更快、更准确地管理下压力对焊接质量具有重要意义。

焊接力控制的作用

对于一组给定的焊接参数，导致施加太小的力的力控制变化会减少配合表面的压缩，减少塑料熔化所需的热量，并导致焊接变冷或更弱。类似地，导致施加过大力的力变化会导致零件接头或能量导向器变形、偏转或断裂，并且可能无法提供足够的时间使正确的熔体流动和聚合物缠结发生。

在适当的时间施加适当的力会产生具有高度一致的特性和强度的优质焊缝。理想的力控制需要在塑料熔化后由致动器施加的锁模力/下降速度的快速、动态变化。这种称为“动态跟踪”的调整使每个焊接周期能够适应零件之间的差异和其他因素，例如塑料类型、接头样式和零件几何形状。

随着力控制和动态跟踪的速度和精度的提高，塑料焊缝的强度、质量和一致性也随之提高。例如，部件焊缝的最强“拉力”来自受控的力分布，该分布允许完全和随机的聚合物链缠结，使焊缝与母材一样坚固（如图 1 所示）。

图 1：冷焊、弱焊和强焊中的聚合物链。

如图 1 最右侧的插图所示，理想的力控制在熔化后几毫秒内调整下压力，允许聚合物链垂直延伸穿过零件界面，并在冷却之前发生熔化和压缩时在粘合线上相互缠绕。相比之下，以部分或没有聚合物链缠结为特征的较弱焊接显示聚合物链平行于粘合线重新组装，而不会在零件界面上缠结。中心焊缝显示了力控制不足的影响，而左侧的“冷”焊缝可能是由于焊接时间太短或下压力过大造成的。

更一致和更完整的聚合物链缠结和更强的焊接是力控制技术改进的直接结果。通过非常迅速地平衡很小的力变化，GSX 焊机中的过程控制和执行器保持更一致的焊头与零件的接触，并使焊接参数能够更准确、更温和地执行。因此，即使对于难以焊接的形状和小或精密零件，它也可以提供卓越的焊接质量和更高的产量，其特点是焊缝塌陷深度均匀一致，飞边或零件标记最少。

改进力控制的结果

在一系列实验室测试和客户试验中，据报道，GSX-E1 焊机中的先进过程控制和机电执行器始终优于气动焊机，使最新的超声波焊接平台能够：

• 生产具有更一致和可重复的强度水平的焊接部件。在对相同零件的焊接性能进行头对头比较时，GSX-E1 与出色的气动传统焊机相匹配。结果表明，虽然两名焊工都产生了牢固的焊缝，但 GSX-E1 能够生产出具有更高平均拉力和更一致和可重复的断裂力水平（例如，结果的标准偏差更低）以及物理特性的零件与母材的匹配度更高。

• 随着零件到零件的熔化，在几毫秒内改变焊接上的下压力，从而对热量的产生和散热、焊接塌陷深度和焊接质量进行更精确的闭环控制。在另一个示例中，客户评估了 GSX-E1 焊机的性能，当时其传统焊机（气动焊机）无法足够快地改变焊接下压力以避免在两个聚碳酸酯部件之间的焊接区形成气泡。结果是不可接受的废零件水平。客户发现，Branson GSX-E1上的机电执行器和控制装置可以更快，更精确地进行动作，消除了气泡，产生了始终如一的高质量焊缝，同时减少了焊缝循环时间，峰值功率输入和总焊接能耗。

• GSX-E1 跨多个焊工的可重复性。具有低焊接夹紧力 (~40N) 应用的客户需要对其焊接部件进行扭矩测试规范，以在多个焊机之间保持 0.2Nm 和 0.65Nm 之间的严格扭矩值测试范围。他们对 GSX-E1 焊机的试验超出了要求，在 50 次生产质量焊接的运行中将扭矩值保持在大约 0.2 Nm 的标称范围内 - 这是客户气动超声波焊机不可能实现的壮举。

• 以出色的一致性完成具有挑战性的零件焊接。GSX-E1     的力控制能力在涉及长、精密和薄壁零件的应用中也得到了验证。在一个应用中，一位客户使用具有竞争力的伺服驱动超声波焊机，难以在具有非常薄 (~0.5 毫米) 塑料剪切接头的零件上始终如一地生产具有高断裂推力 (>80 磅) 的焊缝。使用 GSX-E1 进行的扩展生产试验以每小时 500 个零件的速度工作，交付了 3,000 个零件，平均断裂力为 152 磅（几乎是客户要求的两倍）。此外，GSX-E1 生产出 100% 优质零件 - 零废品 - 这是客户使用具有竞争力的伺服驱动超声波焊机或他们自己的气动超声波焊机无法实现的产量。

在另一个示例中，这一次涉及将带有剪切接头的细长（0.070 英寸壁厚）管远场焊接到模制底座中，客户能够使用其传统焊机产生坚固的焊缝，但有时会出现质量问题包括零件标记和不一致的焊接深度，从而导致飞边。使用全新直观的 Branson GSX 在不到 15 分钟内完成焊接试验，很快就解决了问题。其反应灵敏的过程控制和机电执行器可始终如一且平稳地提供焊接振幅，从而使零件没有标记和飞边，具有更高的平均拉力。

艾默生的新型 GSX 超声波焊接平台中内置的改进的力控制功能通常使 GSX 焊工能够产生这些和类似的结果，同时与响应较低且精确的致动器的焊工相比，减少焊接周期时间、峰值功率输入和总焊接能耗.