超聲波模具的設(shè)計(jì)與制作

　　你可能經(jīng)常會(huì)有這樣的想法：超聲波模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是非常的簡(jiǎn)單。千萬(wàn)不要被誤導(dǎo)，當(dāng)使用一個(gè)加工不當(dāng)或是未經(jīng)過(guò)調(diào)諧的焊頭，將給你的生產(chǎn)帶來(lái)昂貴的損失——它會(huì)破壞焊接效果，甚至更嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致?lián)Q能器或發(fā)生器的損壞。

　　因此，超聲波模具的設(shè)計(jì)，絕不像它的外形那樣簡(jiǎn)單，相反，需要很多的專業(yè)知識(shí)和技能，那么，如何保證焊頭能夠經(jīng)濟(jì)地工作?如何保證焊頭能夠?qū)Q能器轉(zhuǎn)換的機(jī)械振動(dòng)能有效地傳遞到工件上，形成持續(xù)穩(wěn)定的焊接?

　　超聲波模具，是超聲波技術(shù)中有技術(shù)深度的一個(gè)方面。即使已經(jīng)擁有幾年的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們還是堅(jiān)信，只有通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量控制，才能生產(chǎn)出好焊頭。我們的工程師將焊頭的聲學(xué)特性和機(jī)械特性地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出符合客戶需要的產(chǎn)品。

　　我們生產(chǎn)的每一套焊頭和模具，不管是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，還是根據(jù)客戶要求定制的，都是用好的材料制成的，同時(shí)經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試。焊頭的外形、強(qiáng)度以及音頻等各種參數(shù)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，能符合為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，焊頭和模具達(dá)到的匹配。

　　一.模具的振幅參數(shù)

　　振幅，對(duì)于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，相當(dāng)于鉻鐵的溫度，溫度達(dá)不到，就會(huì)熔接不上;溫度過(guò)高，就會(huì)使原材料燒焦或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差。

　　因?yàn)槊恳婚g公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過(guò)適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10-20μm，而工作振幅一般為30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀、前后面積比等因素有關(guān)。以形狀來(lái)說(shuō)，如指數(shù)型變幅、函數(shù)型變幅、階梯型變幅等，對(duì)變比影響很大，前后面積比與總變比成正比。若貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機(jī)，簡(jiǎn)單的方法是，按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數(shù)的穩(wěn)定。

　　二.模具頻率參數(shù)

　　任何公司的超聲波焊接機(jī)都有一個(gè)中心頻率，例如20KHz、40KHz等，焊接機(jī)的工作頻率主要由換能器(Transducer)、變幅桿(Booster)和焊頭(Horn)的機(jī)械共振頻率所決定。

　　發(fā)生器的頻率根據(jù)機(jī)械共振頻率調(diào)整，以達(dá)到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個(gè)部分都設(shè)計(jì)成一個(gè)半波長(zhǎng)的諧振體。發(fā)生器及機(jī)械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍，如一般設(shè)定為±0.5KHz，在此范圍內(nèi)，焊接機(jī)基本都能正常工作。我們制作每一個(gè)焊頭時(shí)，都會(huì)對(duì)諧振頻率作調(diào)整，要求做到諧振頻率與設(shè)計(jì)頻率誤差小于0.1KHZ，如，20KHz焊頭，我們焊頭的頻率會(huì)控制在19.90-20.10KHz，誤差為5‰。

　　三.振動(dòng)節(jié)點(diǎn)

　　焊頭、變幅桿，均被設(shè)計(jì)為一個(gè)工作頻率的半波長(zhǎng)諧振體。在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅大，應(yīng)力小，而相當(dāng)于中間位置的節(jié)點(diǎn)振幅為零，應(yīng)力大。節(jié)點(diǎn)位置一般設(shè)計(jì)為固定位，但通常的固定位設(shè)計(jì)時(shí)厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以，固定位并不是為零振幅，這樣就會(huì)引致一些叫聲和一部分的能量損失，對(duì)于叫聲，通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行屏蔽;能量損失在設(shè)計(jì)振幅參數(shù)時(shí)予以考慮。

　　四.加工精度

　　超聲波焊頭，因?yàn)楣ぷ饔诟哳l振動(dòng)情況下，應(yīng)盡量保持一個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)，以避免聲波傳遞的不對(duì)稱性導(dǎo)致的不均衡應(yīng)力及橫向振動(dòng)(我們所用于焊接的焊頭，利用的是超聲波振動(dòng)的縱向傳遞，對(duì)于整個(gè)諧振系統(tǒng)而言)，不均衡振動(dòng)能導(dǎo)致焊頭發(fā)熱及斷裂。

　　超聲波焊接應(yīng)用于不同行業(yè)，對(duì)加工精度要求是不同的。對(duì)于特別薄的工件，如鋰離子電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等，對(duì)加工精度的要求非常高，我們所有的加工設(shè)備均采用數(shù)控設(shè)備(如加工中心等)，這樣才能保證加工出來(lái)的精度符合要求。

　　五.模具使用壽命

　　一只焊頭的使用壽命，關(guān)鍵決定于兩個(gè)方面：一、材料，二、工藝。

　　材料方面：

　　超聲波焊接要求金屬材料有柔順性(聲波傳遞過(guò)程中機(jī)械損耗小)好的特點(diǎn)，所以，常用的材料為鋁合金及鈦合金。

　　材料是保證超聲波模具壽命與熔接產(chǎn)品效果的主要原因之一。模具完成的過(guò)程是復(fù)雜的，所以，不僅是模具工程師設(shè)計(jì)務(wù)必慎重選擇材質(zhì)，亦需了解本身產(chǎn)品要求該使用何種材質(zhì)，避免因疏忽而影響其時(shí)效與品質(zhì)。

　　現(xiàn)將目前各種材料的特性略述如下(某公司均采用世界美國(guó)ALCOL公司產(chǎn)品，該公司的7075T651鋁材達(dá)到美國(guó)鋁業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)AAA標(biāo)準(zhǔn))：

　　1.鋁鎂合金(7075T651，2024T651，6061T651)

　　(1)7075T651：使用于振動(dòng)系統(tǒng)及焊頭制造，該材料具有的機(jī)械屈服強(qiáng)度，硬度高，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，是理想的超聲波模具制造材料;

　　(2)2024T651：一般使用與焊頭制造，韌性佳，熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，硬度適中，用于一般塑膠制品;

　　(3)6061T651：使用于較低出力之焊頭制造，韌性佳，質(zhì)較軟。

　　2.鈦合金

　　用于連續(xù)發(fā)振的機(jī)種，韌性較高，熱傳導(dǎo)佳，硬度高，而成本昂貴。

　　3.國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)鋁合金

　　國(guó)產(chǎn)料，用于普通鋁材加工，熱傳導(dǎo)低，對(duì)超音波機(jī)械損耗高，成本低。