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超声波塑料焊接

用于焊接的产品

当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。

焊接方法
1、熔接法：超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。
2、埋植(插)法：螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。
3、铆接法：欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可利用超声波铆接法，使焊件不易脆化、美观、坚固。
4、点焊法：利用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。
5、成型法：利用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属或其它材质的塑料牢固。
6、切除法：利用焊头及底座的特别设计方式，当塑料工件刚射出时，直接压于塑料的枝干上，通过超声波传导达到切除的效果。
影响焊接的因素
其最主要的因素包括聚合物结构，熔化温度、柔韧性（硬度）、化学结构。
1、聚合物结构：
非结晶聚合物分子排列无序、有明显的使材料逐步变软、熔化 及至流动的温度（Tg玻璃化温度）。这类树脂通常能有效传输超音速振动并在相当广泛的压力/振幅范围内实现良好的焊接。
半结晶型聚合物分子排列有序，有明显的熔点（Tm熔化温度）和再度凝固点。固态的结晶型聚合物是富有弹性的，能吸收部分高频机械振动。所以此类聚合物是不易于将超声波振动能量传至压合面，帮要求更高的振幅。需要很高的能量（高熔化热度）才能把半结晶型的结构打断从而使材料从结晶状态变为粘流状态，这也决定了这类材料熔点的明显性，熔化的材料一旦离开热源，温度有所降低便会导致材料的迅速凝固。所以必须考虑这类材料的特殊性（例如：高振幅、接合点的良好设计、与超音夹具的有效接触、及优良的工作设备）才能取得超声波焊接的成功。
2、熔化温度
聚合物的熔点越高，其焊接所需的超音波能量越多.
3、硬度（弹力系数）
材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。总的说来，愈硬的材料其传导力愈强。
4、 化学结构
超声粘接是塑胶玩具业中使用得非常广泛的一种紧固联接的方法，但并非所有的塑胶都可以超声粘接的。这跟塑胶的性能有关系，一般来讲，非极性化合物(如PP， PE)是很难超声的，极性化合物是可以超声的，而且极性化合物之间也是可以超声的，如PS与PMMA之间是可以超声的，典型的产品，如望远镜系列，望远镜的镜片是PMMA的，而镜身可能是PS或者ABS，就可直接把PMMA镜片超声粘接到PS或者ABS镜身上，而一般来说，玩具产品中的硬胶使用得最多的就是聚苯乙烯（PS）及其改良品种，所以超声粘接使用得最多的就是PS。
设备配置
超声波塑料焊接设备由气压传动系统、控制系统、超声波发生器、换能器及工具头和机械装置等组成。
1、气动传动系统
包括有：过滹器、减压阀、油雾器、换向器、节流阀、气缸等。
工作时首先由空压机驱动冲程气缸，以带动超声换能器振动系统上下移动，动力气压在中小功率的超声波焊接中气压根据焊接需要调定。
2、控制系统
控制系统由时间继电器或集成电路时间定时器组成。主要功能是：一是控制气压传动系统工作，使其焊接时在定时控制下打开气路阀门，气缸加压使焊头下降，以一定压力压住被焊物件，当焊接完后保压一段时间，然后控制系统将气路阀门换向，使焊头回升复位；二是控制超声波发生器工作时间，本系统使整个焊接过程实现自动化，操作时只启动按钮产生一个触发脉冲，便能自动地完在本次焊接全过程。整个控制系统的顺序是：电源启动一触发控制信号，气压传动系统，气缸加压焊头下降并压住焊触发超声发生器工作，发射超声并保持一定焊接时间，去除超声发射，继续保持一定压力时间，退压，焊头回升，焊接结束。
3、超声波发生器
（1）功率较大的超声波塑料焊接机，发生器信号采用锁相式频率自动跟踪电路，使发生器输出的频率基本上与换能器谐振频率一致。
（2）功率在500W以上的超声波塑料焊接机所用发生器采用自激式功率振荡器，也具有一定的频率跟踪能力。
4、超声波塑料焊接机使用的声学系统
（1）换能器
超声波塑料焊接机用的声学系统包括三个部分：1驱动部分2固定部分3工作部分。在以上三个组成部分中，驱动是核心，一般采用螺栓夹紧的纵向振动换能器，其中半波长纵向振子与四分之一的波长纵向振子，半波长纵向振与半波长聚能器相连接组成一个全波长塑料焊接换能器，而四分之一波长纵向振子与四分之一波长聚能器相连，组成一个半波长换能器。
（2）工具头
对不同的焊接对象需要有不同工具头，不管是近场焊接还是传输焊接，只有半波长的工具头才能使焊接端面达到最大的振幅。工具头，有带振幅放大的和不带振幅放大的两种，塑料焊接机用声学系统工具头，所用材料通常为铝合金，其端面镀硬质合金，功率较大时也有用钛合金材料制成的，该材料疲劳强度比铝合金高一倍多。
工作要领
注意焊头不可以任意修改，否则会改变其谐振频率及机械强度，容易导致换能器或电器零件损坏。
超声波焊接机操作要领：
机器工作原理：
将220V/50HZ的电源供电，转变为20KHz或15KHz的高压电能，利用换能器转换成机械能，机械振动经二级杆放大经焊头传递至被加工物，利用空气压力，产生工件接触面加压摩擦熔接的效果。
安装程序：
A：将机架上的三根电缆分别接入底座和发生器的插座上，并拧紧。
B：安装好换能器系统，并拧紧固定螺丝。
C：调整机架高度并拧紧机体固定把手。
D：观察底座上急停开关是否复位，如未，请复位。
E：连接好气源及电源，并接好地线。
F：将焊头与二级杆之间的接触面擦拭干净，在两个端面上涂抹少量硅油或黄油，将螺杆拧入焊头一边拧紧，然后将焊头与二级杆这宰用螺杆连接，并用板手锁紧。
G：操作前，请务必做超声检测，以确定发生器频率与换能器系统机械谐振频率一致。尤其是更换焊头或改变输出振幅之后，不可疏忽。
超声波检测：
为了达到最佳的使用效果并维护本机的性能，调整发生器与换能器系统的谐振，非常重要。
A：调谐前，确保焊头与二级杆之间必需锁紧。调谐时，焊头不要接触其它物品。
B：打开电源开关，此时电源指示灯亮。
C：按下超声波测试开关，并注视负载表，（如电流表指针超30%或超过2A，则按下超声测试开关的时间要非常短），调整调谐电感，左右旋转直到负载电表批示在最小位置，通常在5%-15%或300MA-900MA之间。
D：因本机设有卡位，所以调谐电感的调整范围只有360度，如焊头的频率同20KHZ或15KHZ相差较远时，需打开机盖，拆开固定位进行调整。
注意
（1）：调整调谐电感时，负载表电流大小变化，并非表示功率输出大小，只表示发生器与换能器能器系统谐振程度，（电流越小，谐振越好）。如需要较大振幅输出，可改变二级杆的品种。（15KHz机还可调整振幅调节开关，但不可在有超声波时调整振幅调节开关，以防高压电击。）
（2）：负载表空载时，表示谐振程度；带负载时，表示输出能量。
（3）：调谐时，如过载指示灯亮，应立即松开测试开关，过5秒钟之后，调整调谐电感，再做超声波检测。
（4）：正确的调谐非常重要，如果无法达到正常情况，请参照故障检测表，不可勉强使用，以免损坏机器。
校模：
为达到高的生产效率，焊头与塑料件之间的距离应尽量缩短但仍需留有足够的空间方便取放塑料件。
1将塑料件放在底座中调整气压在2Kg左右，利用焊头升降开关来使上下摸对准。
2选择适合的焊头与塑料件之间的距离锁紧机架固定把手。
3调整限位螺栓使焊头下降压紧塑料件之后仍有0.2mm左右的空间。（对于焊接深度要求较高的塑料件，此空间相应加大）。
4调整焊接、保压时间、气压、试焊样件。
5观察样件,如发现焊接不均匀,则需要细调底座的平衡,一般原则为焊接部位熔接越厉害,则应调低，在底座相反位置垫上纸片等抬高底座对应位置，使塑料件与焊头吻合良好。
影响塑料件超声加工的因素如下：
（1）接触面的设计 （2）焊接线的设计 （3）塑料材质
（4）塑料件外形和尺寸 （5）焊接面与焊头之间距离 （6）焊头的设计
（7）焊头的振幅 （8）校模的准确性 （9）焊接压力、时间参数的选择
超声波焊接操作步骤：选择振幅、二级杆调谐频率、校模
过熔时： 减小熔接时间,压力降低振幅段数
焊接不够：增加熔接时间或气压；增加振幅段数；改用较大功率机型；选择较大比例二级杆； 确定所有参数。
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