超聲波塑料焊接的原理和理論

1、超聲波塑料焊接機(jī)的原理和理論隨著材料工業(yè)的迅速民展，其中以重量輕、摩擦力小、耐腐蝕、易加工的塑料及其金屬的復(fù)合材料的應(yīng)用受到人們的重視。塑料的各種制品，已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用到航空、船舶、汽車、電器、包裝、玩具、電子、紡織等行業(yè)。然而，由于注塑工藝等因素的限制，在相當(dāng)一部分形狀復(fù)雜的塑料制品不能一次注塑成型，這就需要粘接， 而沿用多年的塑料粘接和熱合工藝又相當(dāng)落后，不僅效率低，且粘接劑還有一定的毒性， 引起環(huán)境污染和勞動(dòng)保護(hù)等問題。傳統(tǒng)的這種工藝已不能適用現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展需要，于是一種新穎的塑料加工技術(shù) 超聲波塑料焊接以其高效、優(yōu)質(zhì)、 美觀、 節(jié)能等優(yōu)越性脫穎而出。

2、超聲波塑料焊接機(jī)在焊接塑料制品時(shí)，即不要填加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡便、焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波焊接技術(shù)越來越廣泛地獲得應(yīng)用。一 超聲波塑料焊接機(jī)的工作原理。當(dāng)超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動(dòng)，這種達(dá)到一定振幅的高頻振動(dòng)，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的

3、目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時(shí)間等三個(gè)因素，焊接時(shí)間和焊頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個(gè)量相互用有個(gè)適宜值，能量超過適宜值時(shí)，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能達(dá)大。這個(gè)最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm 的最佳壓力之積。超聲波焊接是熔接熱塑性塑料技制品的高科技技術(shù)，各種熱塑性膠件均可使用超聲波焊接處理，而不需加溶劑，粘接劑或其他輔助品，其優(yōu)點(diǎn)是增加多倍生產(chǎn)率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。超聲波塑膠焊接原理：由發(fā)生器產(chǎn)生20KHZ,（或15KHZ）的高壓，高頻信號(hào)，通過換能系

4、統(tǒng)， 把信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，加于塑料制品工件上，通過工作表面及內(nèi)在分子間的磨擦而使傳導(dǎo)到接口的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到此工件本身的熔點(diǎn)時(shí)，使工件焊接口迅速溶化，繼而填充于接口間的空隙，當(dāng)振動(dòng)停止，工件同時(shí)在一定的壓力下冷卻定型，便達(dá)成完美的焊接 .二超聲波焊接是如何工作的。超聲波焊接原理是通過超聲波發(fā)生器將50/60 赫茲電流轉(zhuǎn)換成15、 20、 30 或 40千赫茲電能。 被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，隨后機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過一套可以改變振幅的調(diào)幅器裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動(dòng)能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區(qū)域，振動(dòng)能量被通過摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，將塑料熔化。超

5、聲波不僅可以被用來焊接硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜。換能器/調(diào)幅器/焊頭三聯(lián)組，模具和機(jī)一套超聲波焊接系統(tǒng)的主要組件包括超聲波發(fā)生器, 架。酎子11動(dòng) 工作表面序曲居就*辭化*睜律三、起聲波塑料焊接機(jī)的組成及其作用超聲波塑料焊接機(jī)由氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器、換能器及工具頭和機(jī)械裝置等組成。1、氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括有：過薄器、減壓閥、油霧器、換向器、節(jié)流閥、氣缸等。工作時(shí)首先由空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)沖程氣缸，以帶動(dòng)超聲換能器振動(dòng)系統(tǒng)上下移動(dòng)，動(dòng)力氣壓在中小功率的超聲波焊接中氣壓根據(jù)焊接需要調(diào)定。2、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由時(shí)間繼電器或集成電路時(shí)間定時(shí)器組成。主要功能是：一是控制氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作，使其

6、焊接時(shí)在定時(shí)控制下打開氣路閥門，氣缸加壓使焊頭下降， 以一定壓力壓住被焊物件，當(dāng)焊接完后保壓一段時(shí)間，然后控制系統(tǒng)將氣路閥門換向，使焊頭回升復(fù)位； 二是控制 超聲波發(fā)生器工作時(shí)間， 本系統(tǒng)使整個(gè)焊接過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作時(shí)只啟動(dòng)按鈕產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，便能自動(dòng)地完在本次焊接全過程。整個(gè)控制系統(tǒng)的順序是：電源啟動(dòng)一觸發(fā)控制信號(hào)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，氣缸加壓焊頭下降并壓住焊觸發(fā)超聲發(fā)生器工作，發(fā)射超聲并保持一定 焊接時(shí)間 去除超聲發(fā)射 繼續(xù)保持一定壓力時(shí)間 退壓，焊頭回升 焊接結(jié)束。3、超聲波發(fā)生器1) 功率較大的超聲波塑料焊接機(jī)，發(fā)生器信號(hào)采用鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤電路，使發(fā)生器輸出的頻率基本上與換能器諧振頻率

7、一致。2) 功率在 500W 以上的超聲波塑料焊接機(jī)所用發(fā)生器采用自激式功率振蕩器，也具有一定的頻率跟蹤能力。4、超聲波塑料焊接機(jī)使用的聲學(xué)系統(tǒng)1) 換能器超聲波塑料焊接機(jī)用的聲學(xué)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：1 驅(qū)動(dòng)部分2 固定部分3 工作部分。在以上三個(gè)組成部分中，驅(qū)動(dòng)是核心，一般采用螺栓夾緊的縱向振動(dòng)換能器，其中半波長縱向振子與四分之一的波長縱向振子，半波長縱向振與半波長聚能器相連接組成一個(gè)全波長塑料焊接換能器，而四分之一波長縱向振子與四分之一波長聚能器相連，組成一個(gè)半波長換能器。2) 工具頭對(duì)不同的焊接對(duì)象需要有不同工具頭，不管是近場(chǎng)焊接還是傳輸焊接，只有半波長的工具頭才能使焊接端面達(dá)到最大的振幅

8、。工具頭，有帶振幅放大的和不帶振幅放大的兩種，塑料焊接機(jī)用聲學(xué)系統(tǒng)工具頭，所用材料通常為鋁合金，其端面鍍硬質(zhì)合金，功率較大時(shí)也有用鈦合金材料制成的，該材料疲勞強(qiáng)度比鋁合金高一倍多。五、超聲波塑料焊接機(jī)的型號(hào)和規(guī)格超聲波塑料焊接機(jī)由于使用場(chǎng)合及焊接材料不同，焊接尺寸大小不一樣，其規(guī)格也是各式各樣的。其輸出功率從手工焊接機(jī)的幾十瓦到大型機(jī)的幾千瓦頻率一般在15KHz 到 40KHz 范圍內(nèi)。 15KHz、 20KHz 的超聲波塑料焊接機(jī)是應(yīng)用比較廣泛的機(jī)型，輸出功率分別為1000W-4000W 之間，工作頻率為 15KHz、20KHz,且重量輕，質(zhì)量好，是塑料行業(yè)首選的超聲波塑料焊接機(jī)。超聲波塑料

9、焊接機(jī)正以其不可替代的優(yōu)勢(shì)，走進(jìn)塑料行業(yè)的領(lǐng)域，發(fā)揮著巨大的作用，創(chuàng)造著巨大的效益的同時(shí)，也期待著超聲波塑料焊接機(jī)能有更大的突破，為塑料行業(yè)發(fā)揮更大的貢獻(xiàn)。六超聲波的優(yōu)點(diǎn)：1，節(jié)能2，無需裝備散煙散熱的通風(fēng)裝置3，成本低, 效率高4，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)！焊接：指的是廣義的將兩個(gè)熱塑性塑料產(chǎn)品熔接的過程。當(dāng)超音停止振動(dòng)時(shí)，固體材料熔化，完成焊接。其接合點(diǎn)強(qiáng)度接近一整塊的連生材料，只要產(chǎn)品的接合面設(shè)計(jì)得匹配， 完全密封是絕對(duì)沒有什么問題的, 碟合: 熔化機(jī)械鎖形成一個(gè)材質(zhì)不同的塑料螺栓的過程。嵌入: 將一個(gè)金屬無件嵌入塑料產(chǎn)品的預(yù)留孔內(nèi)。具有強(qiáng)度高，成型周期短安裝快速的優(yōu)點(diǎn)！ ！ 類似于模具設(shè)計(jì)中

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14、8tfwW duJart;sUrroLindiii j criercjy dii octor I rzrrupt 日 d corn erUltrasonic Welding 4.彎曲/生成音波將配件的一部分熔化再組成一個(gè)塑料的突起部位或塑料管或其它擠出配件。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于處理的快速，較小的內(nèi)壓，良好的外觀及對(duì)材料本性的克服。點(diǎn)悍點(diǎn)焊是對(duì)沒有預(yù)留也或能源控制的兩個(gè)熱塑塑料組件的局部焊接。點(diǎn)焊也能產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)有力的粘合構(gòu)造，尤其適合一些大型配件、有突起的塑料片或澆注的熱塑塑料以及那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 難以進(jìn)入接合面的產(chǎn)品。剪切切和封口一些有序與無序的熱塑材料的超音波工藝。用這種方法密封的邊緣不開裂，且

15、沒有毛邊、卷邊現(xiàn)象。紡織品/膠片的密封 紡織品品及一些膠片的密封也可用到超音波。它可對(duì)膠片實(shí)行緊壓合，還可對(duì)紡織品進(jìn)行整潔的局部剪切與密封?？p合的同時(shí)也起到了裝飾的作用。影響超音波焊接的因素說起熱塑塑料的可焊接力，不能不說到超音波壓合對(duì)各種樹脂的要求。其最主要的因素包括聚合物結(jié)構(gòu)，熔化溫度、柔韌性（硬度）、化學(xué)結(jié)構(gòu)。聚合物結(jié)構(gòu)非結(jié)晶聚合物分子排列無序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動(dòng)的溫度（Tg 玻璃化溫度）。這類樹脂通常能有效傳輸超音速振動(dòng)并在相當(dāng)廣泛的壓力/ 振幅范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的焊接。半結(jié)晶型聚合物分子排列有序，有明顯的熔點(diǎn)（Tm熔化溫度）和再度凝固點(diǎn)。固態(tài)的結(jié)晶型聚合物是富有彈性的，

16、能吸收部分高頻機(jī)械振動(dòng)。所以此類聚合物是不易于將超聲波振動(dòng)能量傳至壓合面，幫要求更高的振幅。需要很高的能量（高熔化熱度）才能把半結(jié)晶型的結(jié)構(gòu)打斷從而使材料從結(jié)晶狀態(tài)變?yōu)檎沉鳡顟B(tài)，這也決定了這類材料熔點(diǎn)的明顯性，熔化的材料一旦離開熱源，溫度有所降低便會(huì)導(dǎo)致材料的迅速凝固。所以必須考慮這類材料的特殊性（例如：高振幅、接合點(diǎn)的良好設(shè)計(jì)、與超音夾具的有效接觸、及優(yōu)良的工作設(shè)備）才能取得超聲波焊接的成功。聚合物：熱塑性與熱固性將單體結(jié)合在一起的過程稱為“聚合”。 聚合物基本可分為兩大類：熱塑性和熱固性。熱塑性材料加熱成型后還可以重新再次軟化和成型，基所經(jīng)歷的只是狀態(tài)的變化而已- 這種特性使決定了熱塑性材

17、料超音波壓合的適應(yīng)性。熱固性材料是通過不可逆反的化學(xué)反應(yīng)生成的，再次加熱或加壓均不能使已成型的熱固性產(chǎn)品軟化，所以傳統(tǒng)上一直認(rèn)為熱固性材料是不適合使用超音波的。熔化溫度聚合物的熔點(diǎn)越高，其焊接所需的超音波能量越多.硬度（彈力系數(shù)）材料的硬度對(duì)其是否能有效傳輸超音速振動(dòng)是很有影響的。總的說來，愈硬的材料其傳導(dǎo)力愈強(qiáng)。超聲波熔接：以超聲波頻率振動(dòng)的焊頭，在預(yù)定的時(shí)間及壓力下，磨擦生熱，令塑膠接面相互熔合，既牢固，又方便快捷超聲波埋插：由焊頭送到金屬及塑膠間的超聲波震動(dòng)，磨擦生熱令塑膠接觸面熔化，使金屬椿擠入塑膠孔內(nèi)。超聲波鉚接，成形包覆：以高震幅焊頭震動(dòng)梢端，使其熔解，順著焊頭的接觸面塑膠件上的梢

18、子，通過金屬件的孔, 變?yōu)榕册斝螤?，將金屬板挪住超聲波點(diǎn)焊將兩層塑膠板焊接， 焊頭中央的導(dǎo)梢以超波震動(dòng)攢穿上層塑膠板，由于震動(dòng)能產(chǎn)生離析， 塑膠接面間接產(chǎn)生磨擦熱，令兩層塑膠板熔接。灌聲浪聊接，成海聲波點(diǎn)焊事）潞聲波熔授+涸聲波埋蔚腌腹I超聲波焊接的焊口設(shè)計(jì): 兩個(gè)熱塑性塑料零件的超聲波焊接要求超聲波振動(dòng)通過焊接頭傳遞到組合件的上半部 ，最后 傳至兩半的結(jié)合處或界面上.在此，振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能，用以熔化塑料.當(dāng)振動(dòng)停止后，塑料 在壓力下固化，在結(jié)合面上產(chǎn)生焊接.兩個(gè)結(jié)合表面的設(shè)計(jì)，對(duì)于獲得最佳焊接結(jié)果來說是非常重要的 .有各種各樣的連接設(shè)計(jì)，每 一種都有特色和優(yōu)點(diǎn).各種設(shè)計(jì)的使用取決于許多因素

19、 ，例如塑料類型、零件幾何形狀、焊接 的要求（即粘性、強(qiáng)度、密封等） 夾旦奘置 塑料超聲波焊接的一個(gè)重要因素是夾具裝置 .夾具裝置的主要用途是固定零件，使之與焊接 頭對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)組合件提供適當(dāng)?shù)闹?.被焊接的材料、零件幾何形狀、壁厚和零件的對(duì)稱性 均可影響能量向界面的傳遞，因此設(shè)計(jì)夾具時(shí)必須加以考慮 .某些用途，例如挪接和嵌插，要求在焊接頭接觸區(qū)下面有堅(jiān)硬的承托裝置.鋁質(zhì)的夾具裝置可提供必要的剛度，可以鍍銘來防止零件出現(xiàn)疤痕和提高耐磨性.在一些用途中，夾具必須具有一定程度的彈性以保證在連結(jié)區(qū)產(chǎn)生異相狀態(tài).異相狀態(tài)一般在最差的結(jié)合處出現(xiàn)，這是待焊接的范圍；不過，由于某些零件材料和幾何形狀 ，結(jié)合的兩半 可能合成一整體，上下同時(shí)振動(dòng)，如果這種狀態(tài)出現(xiàn)，將承槽由剛性材料改為彈性材料 ，或者 將硬度計(jì)由軟性材料改為另一種材料，往往足以在連結(jié)區(qū)重新建立異相狀態(tài).簡單的實(shí)驗(yàn)性夾具可用木料、環(huán)氧樹脂或熟石膏建造.對(duì)于更精密、更長壽命的夾具將要用鋁、鋼、黃銅、鑄塑尿烷，或其它的彈性材料.夾具設(shè)計(jì)范圍廣，從快速拆卸夾具到簡單的金 屬板均有.應(yīng)用的要求和生產(chǎn)率通常決定夾具的設(shè)計(jì)。上圖表示簡單的對(duì)