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超聲波焊接機原理與應用技術

一.超聲波應用原理

我們知道正確的波的物理定義是:振動在物體中的傳遞形成波。這樣波的形成必須有兩個條件:一是振動源,二是傳播介質。波的分類一般有如下幾種:一是根據振動方向和傳播方向來分類。當振動方向與傳播方向垂直時,稱為橫波。當振動方向與傳播方向一致時,稱為縱波。二是根據頻率分類,我們知道人耳敏感的聽覺范圍是20HZ-20000HZ,所以在這個范圍之內的波叫做聲波。低于這個范圍的波叫做次聲波,超過這個范圍的波叫超聲波。

波在物體里傳播,主要有以下的參數:一是速度V,二是頻率F,三是波長λ。三者之間的關系如下:V=F.λ。波在同一種物質中傳播的速度是一定的,所以頻率不同,波長也就不同。另外,還需要考慮的一點就是波在物體里傳播始終都存在著衰減,傳播的距離越遠,能量衰減也就越厲害,這在超聲波加工中也屬于考慮范圍。

1、 超聲波在塑料加工中的應用原理:

塑料加工中所用的超聲波,現有的幾種工作頻率有15KHZ,18KHZ,20KHZ,40KHZ。其原理是利用縱波的波峰位傳遞振幅到塑料件的縫隙,在加壓的情況下,使兩個塑料件或其它件與塑料件接觸部位的分子相互撞擊產生融化,使接觸位塑料熔合,達到加工目的。

2、 超聲波焊機的組成部分

超聲波焊接機主要由如下幾個部分組成:發生器、氣動部分、程序控制部分,換能器部分。

發生器主要作用是將工頻50HZ的電源利用電子線路轉化成高頻(例如20KHZ)的高壓電波。

氣動部分主要作用是在加工過程中完成加壓、保壓等壓力工作需要。

程序控制部分控制整部機器的工作流程,做到一致的加工效果。

換能器部分是將發生器產生的高壓電波轉換成機械振動,經過傳遞、放大、達到加工表面。

3.換能器部分由三部分組成:換能器(TRANSDUCER);增幅器(又稱二級桿、變幅桿,BOOSTER);焊頭(又稱焊模,HORN或SONTRODE)。

①          換能器(TRANSDUCER):換能器的作用是將電信號轉換成機械振動信號。將電信號轉換成機械振動信號有兩種物理效應可以應用。A:磁致伸縮效應。B:壓電效應的反效應。磁致伸縮效應在早期的超聲波應用中較常使用,其優點是可做的功率容量大;缺點是轉化效率低,制作難度大,難于大批量工業生產。自從朗之萬壓電陶瓷換能器的發明,使壓電效應反效應的應用得以廣泛采納。壓電陶瓷換能器具有轉換效率高,大批量生產等優點,缺點是制作的功率容量偏小。現有的超聲波機器一般都采用壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷換能器是用兩個金屬的前后負載塊將壓電陶瓷夾在中間,通過螺桿緊密連接而制成的。通常的換能器輸出的振幅為10μm左右。

②          焊頭(HORN):焊頭的作用是對于特定的塑料件制作,符合塑料件的形狀、加工范圍等要求。

換能器、變幅桿、焊頭均設計為所工作的超聲頻率的半波長,所以它們的尺寸和形狀均要經過特別的設計;任何的改動均可能引致頻率、加工效果的改變,它們需專業制作。耐用根據所采用的材料不同,尺寸也會有所不同。適合做超聲波的換能器、變幅桿和焊頭的材料有:鈦合金、鋁合金、合金鋼等。由于超聲波是不停地以20KHZ左右高頻振動的,所以材料的要求非常高,并不是普通的材料所能承受的。

二:超聲波工作原理:

熱可塑性塑料的超聲波加工,是利用工作接面間高頻率的摩擦而使分子間急速產生熱量,當此熱量足夠熔化工作時,停止超聲波發振,此時工件接面由熔融而固化,完成加工程序。

通常用于塑料加工的頻率有20KHZ和15KHZ,其中20KHZ仍在人類聽覺之外,故稱為超聲波,但15KHZ仍在人類聽覺范圍只內。

三:超聲波機構原理:

將220V,50HZ轉變為15KHZ(或20KHZ)之高壓電能,利用震動子轉換成機械能。如此的機械振動,經由傳動子,焊頭傳至加工物,并利用空氣壓力,產生工作接面之摩擦效果。振動子和傳動子裝置在振筒內,外接焊頭,利用空壓系統和控制回路,在事先設定之條件下升降,以完成操作程序。

四:組件功用說明:

1.延遲時間設定:調整開始發振時間,在限制開關動作后0~9.99秒開始發振。

2.熔接時間設定:調整熔接時間長短,在延遲時間終了發振0~9.99秒之范圍。

3.硬化時間設定:調整發振終了工作物熔接處冷卻定型時間在0~9.99秒之范圍。

4.計數器:工作循環次數記錄用,附有歸零壓扣。

5.調整及壓力表:工作壓力之指示及調整壓力用。

6.聲波調整:調整振動子系與發振回路之共振匹配,使轉換效率達到理想。

7.振幅表:顯示聲波空載或負載工作之振幅強弱。

8.電源開關及燈:電源開關之控制,及指示開路之信號

9.選擇開關(自動/手動/聲波檢查):自動或手動之選擇,及作聲波空載檢視之按紐。

10.聲波出力調整紐:聲波出力段數之設定用,1~2段為一般使用,3~4段為強力輸出用。

11.聲波過載燈:顯示聲波過載之不正常,需做聲波調整,至過載燈不會顯示為止。(若仍無法解除,請來電洽詢)

12.頻率指示:調試機器時做機器頻率顯示

13焊頭:傳動振動能量于工作物之上,使之熔接。

14上升/下降緩沖調整:調整孔位于機臺側面可適當調整,使升降慣性適中。

15下降速度調整:調整合理適當之下降工作速度用。

16熔接位置視窗:檢視正常熔接時焊頭壓附工作物之狀況。

17.最低點微調螺絲:在熔接熔化塊,或外形尺寸需精確時使用可限制汽缸之下降。

18水平微調螺絲:調整此四支螺絲,可使焊頭平均壓附在工作物上。

19輸出電纜及插座:聯接機體振動子系統與發振箱線路用。

20控制電纜及插座:聯接機體控制單元與發振箱自動控制回路用。

21接地螺母:電子回路之接地線連接用,漏電時之安全保障。

22保險絲座:電子線路之過載保護。

五:機器安裝法:

1.將發振箱放置于機體附近操作員易于觀察及調整之處。

2.接地:將地線一端接地,另一端接于發振箱后面之接地旋鈕。

3.發振箱與機體聯接:將機體之輸出電纜插頭及控制電纜插頭接于發振箱插座及機體插座上

4.接空壓源:將高壓氣壓管引清凈干燥之空壓源與熔接機體上空氣濾清器入口接頭以管束結合鎖緊。

5.接電源:發振箱后面之電源線及插頭,請接上AC220V,∮60/50HZ電源。

六:各部調整及熔接前準備工作:

1.裝焊頭:

(1)先將換能器(CONE)及焊頭(HORN)以及焊頭螺絲,以酒精或汽油擦洗干凈,再將焊頭螺絲及換能器,焊頭結合面抹上一層薄薄的黃油脂再將焊頭螺絲鎖于焊頭上。注意:換能器,焊頭之結合面若有損傷時,振動之傳達效率會遞減,應謹保養。

(2)再緊固4支焊頭水平調整螺絲,將換能器固定在其旋轉范圍之中間位置處。

(3)把焊頭用手旋入換能器到不能回轉為止。

(4)以焊頭鎖緊扳手焊頭旋緊(約300Kg/cm之扭力),此時特別注意不讓換能器旋轉,以防止轉梢扭斷。(若發現旋轉則4支焊頭水平調整螺絲要再緊固些)。

2.焊頭調整:

(1)調整準備:

①打開氣壓源,并調整壓力至2kg/C㎡。

②打開發振箱上之總電源開關,此時電源指示燈亮。

(2)焊頭方向調整:

①放松4支水平調整螺絲,將焊頭之方位與工作物對正,再按機體升降開關使焊頭壓附工作物。

(3)焊頭水平調整:

輕拍焊頭四周,使焊頭與工作物吻合狀況后,平均固定4支水平調整螺絲。

(4)焊頭高低位置調整:

①若工作物之熔接對于高低需準備時,調整最低點微調螺絲頂于升降筒在熔接后最適當位置。

(5)熔接準備:

①依工作物之狀況,設定出力段數于適當位置。(應從低段數試起以維壽命)再按聲波檢查開關,并轉聲波調整螺絲,使振幅表之指示在最低刻度為止。注意:按聲波檢查開關,應按下三秒停止一秒間歇方式,以維護振動子壽命。

七:熔接操作:熔接延遲時間及硬化時間設定方法

一.面板按鍵說明:

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1.手動/自動:手動自動轉換。        2.聲波檢測:測試聲波是否正常。

3. 1.00S:時間增加1秒。          4.0.10S:時間增加0.1秒。  

5.0.01S:時間增加0.01秒。       6. 設定:設定延遲時間/熔接時間和硬化時間

7.時間顯示:顯示全部時間時為自動待機狀態,數字全部顯示為“0”時機器處于手動狀態,數字為單組時間顯示另兩組不顯示時為設定狀態。(每三個數字(8.88)為一組時間,共三組時間)

二.時間設定方法:

1.按“設定”鈕,延遲時間與熔接時間變暗不顯示,硬化時間處于設定狀態。此時可通過時間設定鍵增加相應的時間(例:按1.00S鍵及增加1秒,依次類推按0.10S及增加0.1秒,按0.01S增加0.01秒)。時間為循環式設定,及相應的時間到“9”以后在增加時間及又從“0”開始。(例:時間顯示為9.99時,按1.00S鍵后時間即變為0.99。)

2.延遲時間和硬化時間與熔接時間調整方法相同。按設定鍵一次為硬化時間設定,再按一次為熔接時間設定,再按一次為延遲時間設定。再按一次及回到工作狀態。(三組時間中單一顯示的一組時間及為正在設定的時間。 )

3.完成上述之各部調整及熔接前準備后,按手動/自動按鈕,使機器處與自動狀態。(三組時間均顯示為正常的預設時間)

4.熔接按鈕試熔接,熔接機即可自動熔接工作一次。

5.視察熔接工作狀況及熔接后工作物形態,再調整焊頭,并重新設定工作條件,再試熔,重復調整至工作物理想熔接條件。(延遲時間、硬化時間之設定,從較長時間遞減設定至理想條件,聲波出力及熔接時間之設定,則需由小而大漸增方式設定,以維護振動子之壽命。)

4.設定至理想熔接條件后。即可從事作業生產,生產前,首先將計數器歸零,及做聲波檢查,并清除工作機上不必要之物品,再行作業。

八:熔接動作說明:

1.焊頭下降:在發振箱導入電源及氣壓源接通后,按下熔接按鈕(WELD),焊頭即下降。

2.延遲時間:焊頭下降至限制開關動作之同時,延遲時間計時器即開始計時。

3.熔接時間:延遲時間計時終了之同時,熔接時間計時器即開始計時,振動子同時發振熔接。

4.硬化時間:熔接時間計時終了之同時,硬化時間計時器即開始計時。

5.焊頭上升:硬化時間計時終了,焊頭隨之上升,計數器即累計一次,完成一次循環動作。

九:注意事項:            

1.本機請勿置于潮濕或多塵及過熱之場所,機器上方勿放置流體物,平時注意整潔,隨時擦拭,但不可使用液體清洗。

2.人體請勿重壓于發振之焊頭,以免灼傷,自動操作中遇危險請按緊急按鈕(EMERGENCY STOP)。

3.非本公司設計之焊頭請勿使用在本機臺上。

4.聲波檢查在無負荷時,振幅表勿超過1A,超過1A時請調整聲波調整螺絲,若經調整仍不能降至1A以下,則可能焊頭或機臺有異常,請聯絡本公司處理。

5.按聲波檢查開關以間歇方式按下,勿連續按超過三秒以維護振動子壽命。

6.在操作時(有負荷狀態),振動表勿超過紅色區(在標準型熔接機時)若指示超過時,以降低壓力,減少出力段數,及調整聲波調整之,若經過調整,仍不能降下時,請聯絡本公司處理。

7.本機之振動子及發振機內有高壓線路,除了外部作業之調整外,使用客戶請勿做機內之修護。

8.焊頭本身是依熔接物來決定,且必須配合振動系統之共振,所以焊頭應使用本公司設計制造之產品,以免損害振動系統。

9.空壓源注意清潔,本機之空氣濾清器(AIR FILTER)內若有滯留1/2的水請隨時排除,如水分過多時則須時常清理空壓機之水分。

10.接地線需接地,且不可接于供電源之地線上,以防止高壓漏電。

11.振動子及換能器不可做超過360°之旋轉,以免扭斷高壓線。

十:熔接機保養與維護:

1.焊頭、底模及工作物常保持清潔。

2.定期檢查電纜接頭是否松動。

3.定期清洗空氣濾清器,應使用清潔劑或水,不可使用揮發性之溶劑。

4.機械定期擦拭,但不可使用液體清洗,發振箱上方勿重壓或放置流體物。

5.工作場所保持空氣暢通,周圍溫度不可過高。(40℃以下)。

6.搬運機器時,發振箱應與機體分離(拆開電纜插座),搬運須小心,勿受撞擊。

7.長時間不使用時,請將本機外觀擦拭,上油保養,置于干燥通風場所。

8.每月應打開控制箱上蓋,用干凈不帶水分空氣槍,清除箱內粉塵,以保持零件散熱通風之良好。

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