超聲波的特性

從超聲波焊接的角度，超聲波具有三個(gè)非常重要的特性，這三個(gè)特性與超聲波的焊接質(zhì)量密切相關(guān)，是超聲波焊接過程中發(fā)生的諸多現(xiàn)象的根源。理解這三個(gè)特性有助于理解超聲波焊接的工藝要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師從而可以正確的設(shè)計(jì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)來滿足超聲波焊接的工藝要求，提高超聲波的焊接質(zhì)量。摩擦焊技術(shù)適用范圍廣，可焊接汽車半軸、氣門、安全氣囊、渦輪增壓器、連身齒輪、連軸齒輪、等速萬向節(jié)、前懸架等。

超聲波的三個(gè)特性、產(chǎn)生的焊接現(xiàn)象、及其對塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如表1所示:

1)  能量大；超聲波能夠產(chǎn)生的比聲波大得多的能量，這是超聲波能夠?qū)λ苣z件件進(jìn)行焊接的基礎(chǔ)，同時(shí)這也是超聲波焊接強(qiáng)度較高的根本原因；正由于其產(chǎn)生巨大能量的能力，超聲波甚至能夠進(jìn)行金屬零件的焊接；因此，當(dāng)物體的振動超過一定的頻率，即高于人耳聽閾上限時(shí)，人們便聽不出來了，這樣的聲波稱為“超聲波”。而在另一個(gè)方面，恰恰由于能量大，超聲波有可能對焊接界面造成；同時(shí)可能對塑膠件其它部位或者塑膠件上已經(jīng)裝配的其它零部件造成損壞。

2) 方向性好，幾乎是直線傳播；由于超聲波的波長很短，衍射效應(yīng)不顯著，所以可以近似地認(rèn)為超聲波是沿直線傳播，即傳播的方向性好，容易得到定向而集中的超聲波束。因此，這要求超聲波焊頭與焊接零件保持足夠大的接觸面積，保證超聲波能能夠傳導(dǎo)到焊接界面。同時(shí)，如果在傳播方向上存在孔洞等，超聲波就難繞過孔洞傳導(dǎo)能量，這也是超聲波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的地方。根據(jù)等強(qiáng)度的觀點(diǎn)，選擇滿足母材力學(xué)性能的焊條，或結(jié)合母材的可焊性，改用非等強(qiáng)度而焊接性好的焊條，但考慮焊縫的結(jié)構(gòu)形式，以滿足等強(qiáng)度、等剛度要求。

3) 衰減性；在正弦電信號經(jīng)由電極提供給換能器時(shí)，壓電片膨脹和收縮，產(chǎn)生15~20μm的軸向峰到峰運(yùn)動。盡管超聲波的穿透能力強(qiáng)，但超聲波在物體里傳播始終都存在著衰減，傳播的距離越遠(yuǎn)，能量衰減越厲害。另外，在不同的塑料中，超聲波能量的衰減程度不一致。例如，在無定形塑料中，如ABS，其能量衰減程度較小，兩個(gè)ABS塑膠件即使是遠(yuǎn)程焊接也能保證焊接質(zhì)量；在半結(jié)晶塑料中，如PA66，超聲波能量衰減程度大，超聲波傳播距離較短，很難保證遠(yuǎn)程焊接的質(zhì)量。

超聲波常見的問題

3，超聲波選擇誤區(qū)

使用多大輸出功率，振蕩頻率，振幅范圍，要根據(jù)工件的材料，焊線面積，工件內(nèi)是否有電子元器件，是否要?dú)饷艿纫蛩貋砜紤]。誤認(rèn)為功率越大越好。這也是一個(gè)誤解。如果對超聲波不是很了解。需要請教正規(guī)的超聲波生產(chǎn)廠工程技術(shù)人員。有條件的話需要到廠家現(xiàn)場溝通，不要盲目聽從一些非正規(guī)超聲銷售人員的誤導(dǎo)。目前生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的公司特別復(fù)雜，其中大部分為家庭式作坊，對電路進(jìn)行生搬硬套，對工作原理似懂非懂。出的設(shè)備有一下致命缺陷。其一是購買的原材料品質(zhì)無法保證，其二生產(chǎn)工藝的核心技術(shù)沒有掌握。1、超聲波塑料焊接機(jī)一般情況下不能應(yīng)用在幾片厚度為2-3MM之間的塑料焊接，但不排除特殊條件下的，如結(jié)構(gòu)/焊接方式/超聲波機(jī)功率等都有影響。設(shè)備在中功率和大功率工作中經(jīng)常表現(xiàn)不穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率低。有時(shí)設(shè)備損壞。如換能器功率變壓器，所使用的磁性材料參數(shù)無法測量，磁飽和磁通密度（Bs），磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bm），有效磁導(dǎo)率（Ue），剩余磁通密度（Br），矯頑力（A/M）等，繞制工藝相當(dāng)復(fù)雜，這些家庭式作坊是無法做到的。所以購買超聲波，需要先了解一下公司情況，不要盲目聽從銷售員吹捧，也不要只要價(jià)格。只有這樣才能日后減少不必要的麻煩。

4，超聲波輸出功率誤區(qū)

超聲波輸出功率大小，同壓電陶瓷片的直徑和厚度，材質(zhì)，設(shè)計(jì)工藝決定，換能器定型，功率也就定型了，衡量輸出能量大小是個(gè)復(fù)雜的過程。不是換能器越大，電路使用功率管越多，輸出能量就越大，它要相當(dāng)復(fù)雜的振幅測量儀，才能準(zhǔn)確測量其振幅，由于大多數(shù)使用者對超神波知識不太了解，加上銷售人員的誤導(dǎo)，給消費(fèi)者一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識，消耗電能多少并不能反映輸出超聲功率的大小，如產(chǎn)生縱向能量低，而消耗電流大，只能說明設(shè)備的效率底下，無功率大之說。焊頭的形狀至關(guān)重要，因?yàn)楹割^的軸向膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會在高振幅情況下造成開裂。

5，焊接原理上理解誤區(qū)

相當(dāng)一部分從事多年超聲焊接方面的人員，對超聲能量傳遞有一種誤解，認(rèn)為音波在接觸面進(jìn)行焊接，其實(shí)是一種誤解，真正的焊接原理是，換能器把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能后，通過工件物質(zhì)分子進(jìn)行傳導(dǎo)，聲波在固體中傳導(dǎo)聲阻遠(yuǎn)小于在空氣中的聲阻，當(dāng)聲波通過工件接縫時(shí)，縫隙中的聲阻大，產(chǎn)生的熱能相當(dāng)大，溫度首先達(dá)到工件的熔點(diǎn)，再加上一定的壓力，使接縫熔接，而工件的其他部分由于聲阻小，溫度低不會熔接。超聲波焊接雖然發(fā)現(xiàn)較早，但是到目前為止，其作用機(jī)理還不是很清楚。其原理同歐姆定律類似。

6，焊接結(jié)構(gòu)的誤區(qū)

超聲模具（Horn）型式多樣，工件的形狀決定模具外形，但每部分的尺寸和弧度，材質(zhì)都要嚴(yán)格計(jì)算的，有人錯(cuò)誤認(rèn)為只不過是一個(gè)金屬塊而已。設(shè)計(jì)是否合理直接影響著模具的效率，壽命，產(chǎn)品的合格率，嚴(yán)重時(shí)直接燒壞發(fā)生器。模具的材料一般使用鎂鋁7075，而有些人為降低成本，使用劣質(zhì)材料。正規(guī)模具生產(chǎn)商進(jìn)料都有一套嚴(yán)格地檢驗(yàn)程序，加工尺寸都是經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件模擬和校驗(yàn)后加工出來的。1、超聲波塑料焊接的特點(diǎn)：超聲波焊接的用途非常的廣，應(yīng)用于不同的行業(yè)領(lǐng)域。品質(zhì)才有保證。這些工序一般作坊是無法做到的，不經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，做出的模具，在焊接小工件時(shí)，反應(yīng)問題還不明顯，當(dāng)大功率時(shí)就會出現(xiàn)各種弊端。嚴(yán)重時(shí)直接損壞元器件。

塑料焊接機(jī)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車用塑料分為兩種：一種是熱固性塑料，它們能夠經(jīng)受住普通的烘漆操作；一種是熱塑性塑料， 具有加工容易、快速的優(yōu)點(diǎn)。在車用塑料中，居前7位的塑料材料品種與所占比例大致為：聚21％、聚氨酯19．6％、聚12．2％、熱固性復(fù)合材料10．4％、ABS 8％、尼龍7．8％、聚乙烯6％。    塑料的連接是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。塑料可以通過機(jī)械緊固、粘接或焊接進(jìn)行連接。緊固連接速度快，適用于所有塑料，但是成本高、會產(chǎn)生應(yīng)力集中，不能形成密封接頭或獲得適當(dāng)?shù)男阅?。超音波熔接?shí)例：日用品業(yè)：粉盒、化妝鏡、發(fā)梳、鎖圈、保溫杯、密封式容器、調(diào)味瓶、水管接頭、提把、瓶蓋、食品容器、汽車燈罩、汽車水箱…等。粘接能獲得優(yōu)良的性能和接頭，但操作困難，需要精心地進(jìn)行接頭和表面制備，而且速度很慢，不適于大批量生產(chǎn)。而熱風(fēng)塑料焊接經(jīng)濟(jì)、簡單、快捷、可靠，能形成靜態(tài)強(qiáng)度接近于母材的接頭，因而適用于大批量生產(chǎn)，在汽車工業(yè)獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。塑料焊接技術(shù)水平已經(jīng)成為了衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)水平及新材料開發(fā)水平的標(biāo)志之一。 汽車工業(yè)各種塑料焊接方法

      塑料的焊接局限于熱塑性塑料的焊接 ，因?yàn)橹挥袩崴苄运芰显诩訜釙r(shí)可以熔化或軟化，而熱固性塑料加熱時(shí)不能軟化和重熔。熱風(fēng)焊接類似于金屬的氧氣焊，只不過后者用明火前者用熱氣流加熱。熱氣焊過程中，來自焊槍（推薦使用LEISTER焊槍）中的熱氣流(典型的溫度為20-700°C, 連續(xù)調(diào)節(jié)，流速達(dá)230L／ min)同時(shí)對焊條和焊件加熱，當(dāng)材料表面軟化達(dá)到黏稠狀態(tài)時(shí)，焊條連續(xù)壓進(jìn)到焊縫中。 焊條材料完全與母材成份相同，通常是圓形的(直徑約5mm) ，焊接厚板時(shí)采用多焊道焊接。4、大功率超聲波焊接機(jī)焊接時(shí)塑料不一定會融化，要具體調(diào)節(jié)參數(shù)。圓形焊條的一個(gè)缺點(diǎn)是在多焊道過程中空氣泡容易截留在焊縫中，造成強(qiáng)度降低，這個(gè)問題可以通過采用三角形截面焊條解決?？捎脽犸L(fēng)焊接的典型材料包括聚、聚乙烯、聚、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯、聚甲醛、聚、尼龍、ABS等。 熱風(fēng)焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性(靈活性)強(qiáng)，可用簡單的便攜式設(shè)備加工大型、復(fù)雜的零部件。