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超声波频率高低对超声波焊接的影响

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发表时间:2022-02-04 15:02

超声波频率高低对超声波塑料焊接工艺中的重要性


超声波塑料焊接机使用高频声能来软化或熔化接头处的热塑性塑料。需要要连接的部件在压力下保持在一起,然后通常以 20、30 或 40 kHz 的频率进行超声波振动。成功焊接部件的能力取决于超声波设备的设计、待焊接材料的性能和部件的结构设计。由于超声波焊接速度非常快(焊接时间通常小于 1 秒)且易于自动化,因此它是一种广泛使用的技术。为了确保成功焊接任何零件,需要仔细设计组件和固定装置,因此,该技术最适合批量生产。

不同频率的超声波焊头

                                                                    不同频率的超声波焊头


超声波焊接机包括四个主要部件:超声波电源、超声波能量转换器、振幅放大器(俗称调幅器)和超声波焊头(或称超声波模具)。电源将频率为 50-60 Hz 的市电转换为频率为 20、30 或 40 kHz 的高频电源。该电能被提供给能量转换器。在转换器内,压电材料盘夹在两个金属部分之间。转换器将电能转换为超声波频率的机械振动能。然后振动能量通过助推器传输,从而增加声波的幅度。然后将声波传输到超声波焊头。超声波焊头是一种声学工具,可将振动能量直接传递到正在组装的零件上,它还施加焊接压力。振动通过工件传递到接头区域。在这里,振动能量通过摩擦转化为热量 - 然后软化或熔化热塑性塑料,并将部件连接在一起。

频率选择.png

超声波焊接中的加热速率是频率、振幅和压紧力共同作用的结果。在加热速率方程中,压紧力和频率显示为乘数。对于给定的机器,频率通常是固定的。塑料的加热速率直接变化,并与施加的锁模力成正比。当施加更大的锁模力时,加热速率与变化成正比增加。然而,加热速率随振幅的平方而变化——如果振幅增加,加热速率会急剧增加。因此,超声波焊接机的频率与其输出幅度之间存在反比关系。如果使用最高的可用振幅产生一致可接受的结果,则通常需要最小的部件损坏和较长的超声波工具头寿命。


超声波焊接过程中的一个重要考虑因素是材料。较软的材料不会像较硬的材料一样携带声音,并且需要来自工具的更大振幅才能为关节提供可用的振幅量。熔体温度较高的材料需要更大的振幅才能在接头细节消失之前达到焊接温度。对于柔软或高温材料,通常建议选择频率较低并因此振幅较高的机器。较硬的材料可能会被高振幅损坏,并且可能会加热得太快,以至于过程变得无法控制。焊接速度过快也会导致焊接强度下降。


支配超声波焊头设计的物理定律与波长有关。大多数降低声学性能的因素都与横向尺寸有关 - 与振幅方向垂直的尺寸。如果工具具有更长的波长(更低的频率),则它可以具有更大的横向尺寸。与执行相同应用的高频工具相比,低频工具将更简单且可能更耐用。


振动系统(机械谐振单元).png

用通俗的语言讲:   

超声波振幅就相当于汽车的扭矩,焊接是需要足够的振幅;

超声波频率就是超声波振动次数;20khz就是1秒钟振动2万次;

频率低的超声波机器更容易功率做大,例如15khz,因为其振动次数少,更容易获得较大的振幅;适合焊接大型,或者体积相对较大的产品;常用的功率有2600-3500w-4200W-5000W;

频率高的超声波机器功率更小,因为其振动次数多,适合焊接精密、较脆、比较薄的塑胶产品,不容易破坏产品及内部零件;高频超声波焊接机一般只有几百瓦功率;

所以说,15khz适合焊接难以焊接的材料和体积较大的产品,28KHZ以上就属于高频焊接了,适合焊接小型精密零件;20khz超声波频率是世界上使用最广泛的一种频率机型。


因此,究竟需要选择何种频率功率的超声波焊接机器,需要更具产品的材料,体积,以及焊接要求来判断,不当的选择,将造成开始就是错误的选择。


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