超声波切割技术在电子产品的应用

超声波切割技术在电子产品的应用

发表时间：2015-02-06T13:44:36.113Z 来源：《科学与技术》2014年第12期下供稿作者：李畅毅

[导读] 对比机械切割、激光切割和超声波切割的效果，超声波更适合切除产品的耳朵，而且效果好，满足产品切割的要求，并且超声波切割的效率是最高的。

东莞新科技术研究开发有限公司李畅毅

摘要：超声波技术如今在工业中的应用越来越广，本文将介绍超声波切割的原理，并结合具体电子产品实例，对比机械切割、激光切割的效果，研究超声波切割技术的应用。

关键词：超声波切割；机械切割；激光切割；1.前言超声波切割是切割热塑性塑料制品的高科技技术.超声波切割技术是应用超声波焊接工艺对工件进行切割，超声波焊接设备及其组件也同样适用于自动化生产环境。超声波切割技术广泛应用于商业与消费电子，汽车，新能源，包装，医疗，食品加工等领域，随着国内经济的高速发展，应用范围会越来越广，市场上需求量会进一步增大，所以超声波切割技术有很大的发展前景。

2.机械切割机械切割是在常温下利用机械方法使材料分离，如剪切、锯切（条锯，圆片锯、砂片锯等）、铣切等。机械切割是对材料粗加工的一种常用方式，属于冷切割。其实质是被加工的材料受剪刀挤压而发生剪切变形并减裂分离的工艺过程。机械切割的过程大致可以分成三个连续的阶段：1.弹性变形阶段；2.塑性变形阶段；

3.断裂阶段3.激光切割3.1 激光切割的原理激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，或气化物质从切缝中吹走，从而实现将工件割开，达到切割材料的目的。激光切割属于热切割方法之一。激光切割的原理见下图1：

图1 激光切割原理3.2 激光切割的特点：激光加工作为一种全新的加工方法，以其加工精确、快捷、操作简单、自动化程度高等优点，在电子行业内逐渐得到广泛的应用。激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低，消耗低.并且因为激光加工对工件没有机械压力，所以切割出来产品的效果，精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全，维修简单等特点.用激光机切割出来的产品外形不发黄，自动收边不散边，不变形，不会发硬，尺寸一致且精确；可切割任意复杂形状；效率高、成本低，电脑设计图形，可切割任意形状任各种大小的花边。开发速度快：由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上设计，即可实现激光雕刻输出并且可随时变换雕刻.，可边设计边出产品。激光切割，由于是用不可见的光束代替了传统的机械刀，激光刀头的机械部分与工作无接触，在工作中不会对工作表面造成划伤；激光切割速度快，切口光滑平整，一般无需后续加工；切口没有机械应力，无剪切毛刺；加工精度高，重复性好，不损伤材料表面；数控编程，可加工任意的平面图，可以对幅面很大的整板切割，无需开模具，经济省时。

4.超声波切割4.1 超声波切割原理：利用焊头和底座的特别设计方式，焊头压在塑料产品的边缘，运用超音波瞬间发振工作原理，通过超声波传导对产品进行切割，达到切割的效果。同于传统的加工技术，超声切割技术的基本原理是利用一个电子超声发生器产生一定范围频率的超声波，然后通过置于超声切割头内的超声-机械转换器，将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量（功率），最后将这部分能量传导至焊头，再对产品进行切割.其优点切口光洁不开裂、不拉丝。超声波切割系统如图2所示，图2 超声波切割系统图超声切割振动系统主要由超声换能器、超声变幅杆、焊头。

其中，超声换能器的作用是将电信号转换为声信号；变幅杆是超声加工设备中的一个重要组成部分。它主要有两个作用：（1）聚能作用—即将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚能；（2）有效地将声能传递给负载—作为机械阻抗的变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由换能器更有效地向负载传输。

超声波切割原理如图3 所示图3 超声波切割原理34科学技术2014 年12 期下KE XUE YU JI SHU科学与技术4.2.超声波切割的特点：当超声波激发，达到较高的温度，产品由于高温度的分子间的激发和内摩擦融化。

超声波切割特点.超声波切割具有切口光滑、牢靠，切边准确，不会变形，不翘边、起毛、抽丝、皱折等优点。可避免的“激光切割机”存在的切边粗糙、焦边、起球等缺点.超声波切割的优点包括：1.运行速度快，具有典型的小于一秒的周期时间。

2.塑料部件无应力；

3.在切割表面清洁；4 许多地方可以同时切割自动分离5 超声波切割无污染。

什么类型的材料被使用超声波切割？刚性热塑性材料（聚碳酸酯，聚苯乙烯，ABS，聚丙烯，尼龙，等）的最佳工作。

他们将机械能传递更有效。较低的刚度（弹性模量）热塑性塑料如聚乙烯和聚丙烯吸收机械能会得到不一致的结果。

4.3.超声波焊头设计：由于焊头直接与产品接触，焊头设计很重要的，直接影响产品的切割效果。焊头通常是一个半波长的共振金属块，将振动能量传递到工件上。焊头的材料一般选择钛合金，铝合金以及钢铁。

现在有一电子产品，需要切除产品4 边上的耳朵，要求从蚀刻线切，切割面平齐，很平滑，没有毛刺，并且切割面不能氧化发黑。产品耳朵材料是铜片的，厚道很薄的，只有0.15mm。

产品如图4 所示：图4 产品耳朵为了改善或减弱截面突变处的应力集中，焊头在截面突变处采用圆弧过渡方式。

长方形红色区域是要切除的产品耳朵。根据产品耳朵的形状，我们设计焊头。

在焊头与产品工作的状态：焊头凸起面与产品耳朵接触，焊头把超声波能量传递到产品上，然后把产品耳朵振掉。配合如图5 所示图5焊头和产品配合图切割效果对比：未加工前如图6 所示图6 产品机械（手动折断）切割效果如图7 所示图7 手动折断从图看到：1）折断口有轻微卷边，卷边朝背面卷起；2）断口线不是很直；激光切割效果如图8 所示：图8 激光切割从图看出1）折断口有轻微卷边，卷边朝正面卷起；2）断口线较直，但有烧黑；3）切4 边耳朵需要0.6S。

超声波切割如图9 所示：图9 超声波切割从图看出：1）无卷边；2）无烧黑；3）同时切除4 边耳朵结束语对比机械切割、激光切割和超声波切割的效果，超声波更适合切除产品的耳朵，而且效果好，满足产品切割的要求，并且超声波切割的效率是最高的。采用超声波切割，很好解决了产品切割的要求。

随着超声波切割技术研究的逐步深入，相信在不久的将来，将得到更充分的应用。

参考文献：[1]陈祝年焊接工程师手册（第2 版）机械工业出版社2010-02-02[2]席细平，马重芳，王伟.超声波技术应用现状[J].山西化工，2007，27（1）：25-29[3]李亚江，王娟，等著特种焊接技术及应用第四版化学工业出版社 2014-09-01[4]王志华，杜双明焊接工艺第1 版北京师范大学出版社2011 年5 月1 日[5]Patrick M.Cunningham ，“Use of the Finite Element Method in Ultrasonic Applications” ，Computer Aided Engineering Associates ，Ultrasonic Industry Association Symposium June 2000作者简介：李畅毅（1986-）男，广东肇庆人，本科学历，毕业于机械设计制造及其自动化，从事机械设计工作。