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什么是超聲波?

從鳥(niǎo)鳴到玻璃破碎的聲音 - 聲音超出了我們用耳朵所能感知的范圍。它產(chǎn)生于物體的機械振動(dòng)。例如,如果吉他弦被撥動(dòng),它的振動(dòng)會(huì )導致空氣中的壓力和密度波動(dòng),從聲源開(kāi)始,以波的形式向各個(gè)方向傳播。這不僅適用于空氣,而且適用于任何彈性介質(zhì),即氣體、液體和固體。

超聲波是人類(lèi)無(wú)法聽(tīng)到所有類(lèi)型聲音的一個(gè)例子。它的高頻聲波在工業(yè)和醫學(xué)中默默地應用。


聲波由它們的頻率定義(每秒波數)。例如,超聲波的范圍從 20 kHz 到 1 GHz。20 kHz 至 70 kHz 的頻率用于超聲波焊接。在最低的區域,人耳也幾乎無(wú)法感知到。因為可聽(tīng)聲音的范圍僅從 16 Hz 到 20 kHz。其上的振動(dòng)充其量被視為震動(dòng)。

超聲波焊接如何工作?

如果超聲波撞擊材料(例如塑料),其中的分子鏈就會(huì )開(kāi)始振動(dòng)。分子開(kāi)始移動(dòng)并相互摩擦。這會(huì )產(chǎn)生能量(即摩擦熱)。對于熱塑性塑料,這會(huì )導致它們開(kāi)始熔化。超聲波焊接利用了這一原理。在附加壓力下經(jīng)過(guò)短暫的保持時(shí)間后,各種材料(組件) 在焊接區域以分子水平焊接。

超聲波焊接適用于什么?

超聲波焊接可在幾分之一秒內完成,無(wú)需使用膠水或螺絲等輔助工具。超聲波應用于包裝、汽車(chē)零件、玩具制造等領(lǐng)域,例如:

  • 組裝注塑件(例如玩具)
  • 嵌入半透膜(例如用于醫療組件中的過(guò)濾膜)
  • 抓入皮革、無(wú)紡布和紡織品(例如汽車(chē)中的空氣濾清器)
  • 將不同材料相互鉚接(例如用于安全氣囊)
  • 使用成型技術(shù)根據形狀連接(例如用于充電器中的磁性觸點(diǎn))
  • 埋入母插頭和磁鐵(例如用于驅動(dòng)傳感器的封裝磁鐵)
超聲波焊接系統

完整的超聲波焊接系統由各種組件組成。有源組件產(chǎn)生聲音并繼續傳遞,導入焊接件。無(wú)源組件吸收由此產(chǎn)生的力,將焊接件固定到位,特別是支撐焊縫(連接組件的位置)。

有源:
  • 超聲波發(fā)生器
    產(chǎn)生超聲波需要高頻率。插座的電源頻率對此是不夠的。發(fā)生器將低頻供電電壓轉換為焊接過(guò)程所需的高頻。精確的控制技術(shù)確保恒定的振幅(振動(dòng)幅度)。
  • 換能器
    換能器將來(lái)自發(fā)生器的高頻電轉換為機械振動(dòng)。這通過(guò)逆壓電效應起作用。電壓的電場(chǎng)引起壓電陶瓷的機械收縮(特殊材料,可以將機械力轉換為電壓反之亦然)。這會(huì )產(chǎn)生壓力波動(dòng)和超聲波。
  • 變幅桿(變幅桿或中間件)
    變幅桿(簡(jiǎn)稱(chēng):變幅桿或放大器)改變來(lái)自換能器的超聲波。它會(huì )根據個(gè)別應用增加或減少振幅。
  • 焊頭(焊接工具)
    焊頭是焊接工具,將變化的超聲波均勻、輕柔地引導到組件中。焊頭本身也可以改變振幅。實(shí)際的焊接過(guò)程發(fā)生在這里。
無(wú)源:
  • 底模
    底模將組件固定在正確的位置。它根據組件的形狀和材料特性單獨定制。它確保沒(méi)有任何滑動(dòng)出現。這意味著(zhù)可以精確且均勻地進(jìn)行焊接。
  • 底座
    底座有助于聚焦超聲波的能量。這是由于特殊的輪廓,它是根據相應的焊接工藝單獨定制的。這保證了在密封薄膜時(shí)形成牢固和高質(zhì)量的焊縫。
工藝技術(shù):能量聚焦原理

為了精確地熔化組件,振動(dòng)能量必須集中在一點(diǎn)上。這稱(chēng)為能量聚焦。在這個(gè)特定的點(diǎn)上,熱量強度最大,進(jìn)而導致熔化 - 適用于低能耗的定義的焊接過(guò)程。

變幅桿和各種焊接模具

這都屬于形式問(wèn)題:為了將振動(dòng)能量集中在正確的位置,必須相應地設計待焊接零件或工具的幾何形狀。組件集成聚焦時(shí),導能角(簡(jiǎn)稱(chēng) ERG)將能量集中在材料本身上。如果聚焦的工具具有幾何形狀,工具具有特殊形狀。

  • 通過(guò)接縫設計實(shí)現能量聚焦
    對于焊縫設計,能量根據組件的形狀集中。兩個(gè)部分要連接的區域是特殊形狀的。通常在該位置上有一個(gè)點(diǎn)或邊這正是能量聚焦產(chǎn)生的地方,因此它被稱(chēng)為導能角(簡(jiǎn)稱(chēng):ERG)。
  • 通過(guò)探頭設計實(shí)現能量聚焦
    能量也可以通過(guò)焊接工具集中。焊頭的輪廓用作熔化輔助。能量聚集在其最熱的尖端。例如,這種類(lèi)型的能量聚焦用于超聲波鉚接。
  • 通過(guò)底輥輪廓實(shí)現能量聚焦
    在這里,工具的形狀也起著(zhù)決定性的作用。底座具有凸起的結構。這是組件的接觸點(diǎn)。能量集中在這些點(diǎn)上并導致熔化。這主要用于卷料,如薄膜和無(wú)紡材料,或紙板箱。
超聲波焊接過(guò)程中最重要的工藝參數

密封、牢固且美觀(guān) - 為了獲得完美的焊縫,焊接工具、材料和焊接工藝必須相互協(xié)調。取決于設置:正確的工藝參數可確保獲得最佳且可重復的結果。

  • 振幅
    肉眼不可見(jiàn),焊接工具以 5 到 50 μm 的振幅振動(dòng)。為了達到所需功率,變幅桿改變換能器中產(chǎn)生的機械振動(dòng)。
  • 觸發(fā)點(diǎn)
    觸發(fā)點(diǎn)定義焊接開(kāi)始:焊頭以觸發(fā)力壓在組件上。如果其在特定時(shí)間段內僅給出最低值,則觸發(fā)超聲波并且觸發(fā)力變?yōu)楹附訅毫?。這樣,焊接起點(diǎn)始終保持不變,結果質(zhì)量始終如一。
  • 焊接壓力
    針對均勻且緊密的焊縫,必須用力將聲音引入組件。該力的大小取決于功率、焊接面積和零件尺寸。
  • 焊接時(shí)間
    瞬間連接:到達觸發(fā)點(diǎn)并觸發(fā)超聲波后,實(shí)際焊接過(guò)程只需幾分之一秒。當達到預先定義的停機標準時(shí),焊接時(shí)間結束。
  • 保持時(shí)間
    焊接時(shí)間結束后,組件被短暫地保持在壓力下。這使它們能夠冷卻并均勻固化。由于焊接工具在整個(gè)過(guò)程中不會(huì )升溫,因此它也支持冷卻過(guò)程。
超聲波焊接應用示例
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