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超聲波頻率高低對超聲波焊接的影響

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發(fā)表時(shí)間:2024-05-29 10:53

超聲波頻率高低對超聲波塑料焊接工藝中的重要性


超聲波塑料焊接機使用高頻聲能來(lái)軟化或熔化接頭處的熱塑性塑料。需要要連接的部件在壓力下保持在一起,然后通常以 20、30 或 40 kHz 的頻率進(jìn)行超聲波振動(dòng)。成功焊接部件的能力取決于超聲波設備的設計、待焊接材料的性能和部件的結構設計。由于超聲波焊接速度非??欤ê附訒r(shí)間通常小于 1 秒)且易于自動(dòng)化,因此它是一種廣泛使用的技術(shù)。為了確保成功焊接任何零件,需要仔細設計組件和固定裝置,因此,該技術(shù)最適合批量生產(chǎn)。

不同頻率的超聲波焊頭

                                                                    不同頻率的超聲波焊頭


超聲波焊接機包括四個(gè)主要部件:超聲波電源、超聲波能量轉換器、振幅放大器(俗稱(chēng)調幅器)和超聲波焊頭(或稱(chēng)超聲波模具)。電源將頻率為 50-60 Hz 的市電轉換為頻率為 20、30 或 40 kHz 的高頻電源。該電能被提供給能量轉換器。在轉換器內,壓電材料盤(pán)夾在兩個(gè)金屬部分之間。轉換器將電能轉換為超聲波頻率的機械振動(dòng)能。然后振動(dòng)能量通過(guò)助推器傳輸,從而增加聲波的幅度。然后將聲波傳輸到超聲波焊頭。超聲波焊頭是一種聲學(xué)工具,可將振動(dòng)能量直接傳遞到正在組裝的零件上,它還施加焊接壓力。振動(dòng)通過(guò)工件傳遞到接頭區域。在這里,振動(dòng)能量通過(guò)摩擦轉化為熱量 - 然后軟化或熔化熱塑性塑料,并將部件連接在一起。

頻率選擇.png

超聲波焊接中的加熱速率是頻率、振幅和壓緊力共同作用的結果。在加熱速率方程中,壓緊力和頻率顯示為乘數。對于給定的機器,頻率通常是固定的。塑料的加熱速率直接變化,并與施加的鎖模力成正比。當施加更大的鎖模力時(shí),加熱速率與變化成正比增加。然而,加熱速率隨振幅的平方而變化——如果振幅增加,加熱速率會(huì )急劇增加。因此,超聲波焊接機的頻率與其輸出幅度之間存在反比關(guān)系。如果使用最高的可用振幅產(chǎn)生一致可接受的結果,則通常需要最小的部件損壞和較長(cháng)的超聲波工具頭壽命。


超聲波焊接過(guò)程中的一個(gè)重要考慮因素是材料。較軟的材料不會(huì )像較硬的材料一樣攜帶聲音,并且需要來(lái)自工具的更大振幅才能為關(guān)節提供可用的振幅量。熔體溫度較高的材料需要更大的振幅才能在接頭細節消失之前達到焊接溫度。對于柔軟或高溫材料,通常建議選擇頻率較低并因此振幅較高的機器。較硬的材料可能會(huì )被高振幅損壞,并且可能會(huì )加熱得太快,以至于過(guò)程變得無(wú)法控制。焊接速度過(guò)快也會(huì )導致焊接強度下降。


支配超聲波焊頭設計的物理定律與波長(cháng)有關(guān)。大多數降低聲學(xué)性能的因素都與橫向尺寸有關(guān) - 與振幅方向垂直的尺寸。如果工具具有更長(cháng)的波長(cháng)(更低的頻率),則它可以具有更大的橫向尺寸。與執行相同應用的高頻工具相比,低頻工具將更簡(jiǎn)單且可能更耐用。


振動(dòng)系統(機械諧振單元).png

用通俗的語(yǔ)言講:   

超聲波振幅就相當于汽車(chē)的扭矩,焊接是需要足夠的振幅;

超聲波頻率就是超聲波振動(dòng)次數;20khz就是1秒鐘振動(dòng)2萬(wàn)次;

頻率低的超聲波機器更容易功率做大,例如15khz,因為其振動(dòng)次數少,更容易獲得較大的振幅;適合焊接大型,或者體積相對較大的產(chǎn)品;常用的功率有2600-3500w-4200W-5000W;

頻率高的超聲波機器功率更小,因為其振動(dòng)次數多,適合焊接精密、較脆、比較薄的塑膠產(chǎn)品,不容易破壞產(chǎn)品及內部零件;高頻超聲波焊接機一般只有幾百瓦功率;

所以說(shuō),15khz適合焊接難以焊接的材料和體積較大的產(chǎn)品,28KHZ以上就屬于高頻焊接了,適合焊接小型精密零件;20khz超聲波頻率是世界上使用最廣泛的一種頻率機型。


因此,究竟需要選擇何種頻率功率的超聲波焊接機器,需要更具產(chǎn)品的材料,體積,以及焊接要求來(lái)判斷,不當的選擇,將造成開(kāi)始就是錯誤的選擇。


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