超声波焊接原理 超声波焊接模具设计

超声波焊接所需热量是用超声波激发塑料作高频机械振动而产生的。原理很简单:超声波发生器产生20k-50kHz的高频信号,通过换能器(现多为压电陶瓷),把电能转为高频机械振动能, 并将高频应力作用在塑料焊件上, 使塑料--焊件接触面及其表面层内分子间产生摩擦,生成大量的摩擦热, 这种热被聚集在被焊塑料制件的接触面上, 由于不能及时散发, 致使接触面上温度迅速上升,界面塑料很快熔化。此后振动停止, 焊头仍给予焊件一定压力,界面熔化部分冷却固化后就可达到完善的焊接效果。材料的可焊性依赖于其传递高频振动的能力。一般而言,具有高弹性模量的材料对超声振动的内损耗较小, 从而能将大部分能传递到焊接面上,也就意味着刚性材料比韧性材料具有更好的焊接性能。
超声焊接的振动方式有两种, 一种是振动方向与待焊接表面垂直,也是超声波焊接的主要类型,不适于焊接平面。取而代之,可以一个焊接面上作一个称作能量导向的锲形突出，其尖端与另一个待焊接面接触。超声波振动开始后，能量很快首先集中在突起的尖端，使之迅速熔化，熔体在待焊接面上流散形成粘性层。另一种是振动方向与待焊接面平行，又称剪切焊接，不需要使用能量导引锥。接触面的设计是影响焊接质量和工艺的一种重要因素。另一个因素是超声焊头前端与待焊面的距离。当距离≤6mm叫进场焊接，否则叫远场焊接。距离越大，到达焊面的能量损失越少。为了使能量绝大部分损耗在焊接面上，超声焊头的设计极为重要。
近场焊接具体可分为五步：振动、粘弹性发热、热量传递、流动与扩散、冷却，其中粘弹性发热过程是最重要的一步，没有足够的热量，能量导引头就不能熔化，因而测量材料的动态模量很重要。
远场焊接时，能量损耗即发热效率与损耗模量和周期应变振幅的平方成正比，因而应变振幅大的区域温度升高很快。采用能量导引头时，超声波峰应出现在界面处；不采用能量导引头时，则超声波峰应出现在界面处才能获得良好的焊接质量。www.meetan.com

近场焊接时，无定形材料和结晶性材料均能获得良好的焊接质量；而远场焊接不太适合结晶性材料。超声焊接时间、焊接压力和振幅是超声波焊接工艺的三个主要参数。通常超声焊接时间为0.5-5s，振幅为2.5-250μm。
超声焊是目前热塑性材料使用得最广泛的焊接方法之一，其操作简单，生产效率高，焊接周期为0.5-1.5s，易于实现自动化，适用于大批量生产，焊接强度高，且一致性好。焊完后，外观无任何印痕，无需修复，对于一些特异材料，只能采用超声焊。但超声焊只能焊接小焊面，且设备成本高。对于较大部件，虽可采用多头焊机，但结构复杂，且价格昂贵，不太适宜低模量热塑性材料。
超声焊适用于焊接几乎所有热塑性塑料薄膜，尤其适用于刚性较大的薄膜。因不受待焊面污染的限制，广泛用于医药制品、食品工业的自动化焊接，也可使塑料薄膜与纸、布等进行焊接，也可进行塑料制品加入金属嵌件的操作。

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