超详细超声波焊接工艺介绍

Amplitude Reference
Guide
in Microns (m)
Material
Welding Staking
ABS
30-70
70-90
Acrylic
40-70
70-90
Polycarbonate 60-100
80-120
Nylon
70-120
90-120
焊头（HORN)
焊头的原理
超声线及火花纹
超声线及火花纹样板
十字交叉型
间断十字交叉型
刀边型加上火花纹
断续的超声线
断续的超声线
超声熔化效果
错误超声线设计
超声线太粗
超声线设计的限制
某些塑胶材料不能有效焊接
– 特別是“半晶性”塑胶材料焊接
解决方法
– 剪切型
剪切连接（Shear Joint） 设计
Depth of Weld
其他的设计要点
銳角
应在塑件上加上圆角
不适合
适合
孔及曲折
留意塑件设计中的孔位及曲位影响超声波传递
悬臂
塑件上的薄壁及翼位,在超声后会有破裂 解决方法
– 在角位加上弧线 – 增加壁厚及翼位 – 加支持骨位
膜振
在焊接后塑件表面出現裂痕或热熔痕迹 解決方法
– 縮短焊接时间 – 加強或减少振幅 – 振幅控制(Amplitude Profile) – 柱塞形焊头 – 增加壁厚 – 加支持骨位
远距离焊接
– 当焊头接触面跟焊接面的距离大于6.35mm
距离焊接及塑料材料的关系
材料
焊接鉴定
近
远
ABS
1
2
Acrylic
2
3
PC
2
2
Polystyrene
1
1
Polysulfone
2
4
Nylon
2
4
Polyester
3
5
Polypropylene
4
5
1= 容易 5 = 困难
影响焊接效果的其他因素
焊头其实为一个半波长的金属,当它传递超声波時 ,产生共振
振幅（Amplitude)
Amplitude Node
焊头的材料
铝合金 钛合金 钢
焊头的表面处理
硬质合金表层 电镀 阳极处理 阳极硬化处理
圆形焊头(Circular Horns)
方形焊头(Rectangular Horns)
底模的作用
在塑料焊接时给予 塑件支持
在塑料焊接时给予 塑件对位
底模材料的应用及选择
金属底模
– 半晶体塑料的工件焊接 – 高磨损焊接应用 – 超声波铆接及超声波嵌插
环氧树脂(Epoxy)
– 低熔点非晶体塑料工件焊接
金属底模
环氧树脂底模
超声波焊接机参数調整
焊接能量
能量 = 功率 x 时间 功率 = 压力 x 下降速度 x 频率 x 振幅
超声线的用处
增加焊接面的強度 减少溢料 减少焊接时间 减少振幅
TEMP
MELT SOFTEN
TIME
TEMP
TIME
基本超声线设计
W
W
8 W
64
4
W
Before
After
阶梯型设计及用处
防止溢料 改善外观
阶梯型设计例子
榫槽型设计
榫槽型设计例子
榫槽型设计例子
超声线及火花纹设计
焊接机参数调整 (800系列)
下降速度 焊接时间 保压时间 压力表 压力旋钮 触发压力调整
焊接机参数调整(900IW系列)
下降速度 焊接时间 保压时间 压力表 压力旋钮 触发压力调整
焊接机参数调整(900M,2000d,2000f系列)
焊接模式
– 时间模式 – 能量模式 – 功率模式 – 焊接距离模式 – 实际距离模式 – 接地保护模式
½ 波長
换能器结构
½ 波长
换能器的振动幅度
20kHz换能器的振动幅度为 40kHz换能器的振动幅度为
20微米
10微米
换能器的保养
无橫向振动的工作环境 减少热量的产生 减少撞击 使用聚脂片 调幅器和换能器单配使用
调幅器(Booster)
调幅器的种类
材料
– 钛合金 – 铝合金
衬托框
频率与振幅
换能器 调幅器 焊头 塑件
底模
20 kHz
40 kHz
20 μm
10 μm
× 1.5
30 μm
15 μm
× 2.0
60 μm
30 μm
塑料焊接机种类
超声波焊接机
(Model 2000 系列 - 分体机)
塑料焊接机种类
超声波焊接机
(Model 2000 系列 -- 一体机)
超声波焊接机组件
焊头与橫向振动
当焊头的橫向大于3.5′时,橫向振动 就会出现(只适用 20kHz焊头)
在适当的位置加上 长槽,减少橫向振动
5” 3-1/2”
方形焊头加开长槽
其他焊头
子母形焊头(Composite Horns)
柱塞形焊头(Nodal Plunger Horns)
焊头的保养
小心安装及拆卸 减少撞击 使用聚脂片
超声波焊接
研讨概览
– 超声波塑料焊接原理 – 塑料焊接机种类 – 超声波焊接机组件 – 换能器（Converter) – 调幅器 (Booster) – 焊头 (HORN) – 底模 (Fixture) – 超声波焊接机参数调整
– 塑料材料 – 超声线种类 – 塑件设计 – 其他原因 – 其他超声波应用
超声波焊接机
手枪超声波焊接机
(Model LPe / LPt)
20KHz---500W/150W
30KHz---500W
40KHz---500W/150W
超声波焊接机的操作（1）
1.调幅器、焊头的螺钉扭紧力矩: 20KHz---50.84N.M 40KHz---7.9N.M
2.换能器、调幅器、焊头的相互扭紧力矩: 20KHz---20.85N.M 40KHz---7.9N.M
Branson/Mold-Tech Texture Designation
Branson300 Branson450 Branson600
Pattern Depth
0.003” 0.0045” 0.006”
Energy Director Height
0.005”-0.011” 0.012”-0.017” 0.018” and up
发生器(II)
数控式超声波焊接机(2000系列)
– 2000t - 時间模式 – 2000ea - 時间,能量,功率模式 – 2000d - 時间,能量,功率,距离模式 – 2000f - 時间,能量,功率,距离,压力调节模式
驱动器
驱动器－即超声 波焊接机中的机 械活动部分,大 部分为汽动组件
超声波焊接机 (Model 2000 series - 分体机)
超声波焊接机
超声波焊接机
(Model 2000 series - 一体机) 2000IW/2000IW+ 20KHz---1000W/2000W
超声波焊接机
超声波焊接机 (Model 800 series - 一体机) 8400/8700 8400---900W 8700---1500W
超声波的来源
能量供应器将 220V/50Hz 电能转为 20kHz电能 20kHz电能由换能器转为20kHz机械能-超声波 超声波振幅由调幅器和焊接头当中调整改变
2 00 0a
20 kHz
Power Supply
Converter
Booster
50/60 Hz Horn
振幅
焊接头表面振幅 = 换能器表面振幅 x 调幅器增益 x 焊接头增益
Part Dimension Tolerance
+ 0.001” (+ 0.025mm)
+ 0.002” (+ 0.050mm)
+ 0.003” (+ 0.075mm)
剪切设计的长处
焊接強度高,防水效果佳 减少“假焊”现象出現 适合大多数塑料材料
剪切设计的限制
要求高精准度的塑件 需要较強的支持 多用于体积较小的塑件 焊接面多为正多边形或圆形
吸水性
有吸水特性的材料
– Nylon(尼龙) – Polycarbonate(聚碳酸脂) – Polysulfone(聚砜)
改善方法
– 注塑后立即超声波焊接 – 放与密封的环境 – 超声波焊接前将塑件烘干
混合物
混合物料的种类
– 玻璃纤维 – 炭化纤维 – 滑石粉
塑料加入混合物料后因应注意
塑料原料与焊接的关系
塑料原料的类別
热固性 (Thermosetting) 热塑性 (Thermoplastic)
– 非晶性塑料原料 (Amorphous) – 半晶性塑料原料 (Semi-Crystalline)
焊接特性
熔点 熔接能量 弹性模量
近距离焊接及远距离焊接
近距离焊接
– 当焊头接触面跟焊接面的距离小于6.35mm
0.75” to 1.50” (18-35mm)
Greater than 1.50” (35mm)
Interference per Side (Range)
0.008” to 0.012” (0.2 to 0.3mm) 0.012” to 0.016” (0.3 to 0.4mm) 0.016” to 0.020” (0.4 to 0.5mm)
焊头接触面
设计塑件时应预设焊头接触面,加強超声波焊接效果
Coupling Surface
Too Small
Correct
Incorrect
焊头接触面
改善焊头接触面的设计,改善焊接效果
Flange added for horn contact directly over weld area
超声波的其他应用
焊头常见问题
焊头发热
焊接時发出很高频的 噪音
按下Test按钮時,功率 表表示负荷很高
不能调频
不能正常熔接塑料件
焊头出现问题的原因
焊头出现裂痕 焊头表面撞花 焊头螺丝松脱 焊头出现橫振
如何检查焊头上裂痕
检查焊头螺丝周围 检查焊头长槽两端 检查焊头节点周围
底模（Fixture)
– 混合物的比例
脫模剂
有问题的脫模剂
– 硅脂类 – 特富龙 – 內部润滑剂
其他因素
色粉 再生料 防火剂
不同塑料原料焊接
熔点 分子结构
塑件设计
设计大纲
设计分类
– 焊接面设计 – 塑件外形设计
设计主要宗旨
– 令焊接面减少 – 定位 – 增加焊头接触面
基本焊接面设计
普通超声线( Energy Director) 剪切型（Shear Joint)
焊头(HORN)
调幅器（Booster)
换能器（Converter)
换能器（Converter)
换能器的作用及振动方向
将电能转为机械能–超声波 换能器的振动为纵向振动
换能器的振动原理
电流经过换能器,令换 能器內产生电磁场
电磁场经过压电片,令 压电片振动
振动经过金属头,传到 調幅器
3.调频---焊接之前,必须进行(TEST)调频。
超声波焊接机的操作（2）
4.定期清理换能器、调幅器、焊头、螺钉的连接表 面的污物。可用6#细砂纸磨平换能器、调幅器、 焊头的污物面，注意磨平方法。
5.在换能器、调幅器、焊头连接之间:
20KHz---使用Mylar片
40KHz---7.9N.M涂上硅脂
超声波铆接(Staking)
超声波铆接例子
超声波铆接切面
超声波铆接设计要点
塑件设计及孔位大少 柱位下加上弧度
Min. Lead-in 0.020” (0.5mm)
Interference
Fixture
Beห้องสมุดไป่ตู้ore
After
剪切连接的焊接深度
一般 1.25w 最少 0.5w 最多 1.75w
Shear Joint Interference
Maximum Part Dimension
Less than 0.75” (18mm)
Converter 20 Microns
Black Booster 1 : 2.5
Horn 2 = 100 Microns
Converter 20 Microns
Green Booster 1:1
Horn 3 = 60 Microns
20kHz,30kHz及40kHz
20kHz换能器表面振幅= 20微米 30kHz换能器表面振幅= 15微米 40kHz换能器表面振幅= 10微米
– 普通型 – 坚固型 – 一体型
Rigid Mount
Solid Mount
调幅器的增益
紫色 – 1:0.6 绿色 – 1:1 金色 – 1:1.5 银色 – 1:2 黑色 – 1:2.5
调幅器
调幅器的保养
小心安装及拆卸 减少撞击 使用聚脂片 焊头，换能器单配使用
超声波焊接机
超声波塑料焊接原理
什么是超声波?
超声波为一种机械振动 每秒钟振动的次数大于18000Hz 工业上大多采用20KHz,30KHz,40KHz等 以下未特別说明，将以20KHz为例
焊接原理
超声波从焊接头放出
超声波从焊接头传到塑料 件
超声波传到焊接面, 分子 之间因摩擦而产生热,熔接 塑料件