1、超声波焊接工艺2超声波焊接工艺v超声波熔接是一种快捷，干净，有效的装超声波熔接是一种快捷，干净，有效的装配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件，及一些合配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件，及一些合成构件的方法。目前被运用的成构件的方法。目前被运用的塑塑胶制品与之间的粘胶制品与之间的粘结，结，塑塑胶制品与金属配件的粘结及其它非胶制品与金属配件的粘结及其它非塑塑胶材料胶材料之间的粘结！它取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的之间的粘结！它取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺是一种先进的装配技术！超声波熔接不但粘接工艺是一种先进的装配技术！超声波熔接不但有连接装配功能而且具有防潮、防水的密封效果。有连接装配功
2、能而且具有防潮、防水的密封效果。 什么是超声波熔接什么是超声波熔接3超声波焊接工艺超声波熔接的优点超声波熔接的优点v 1.1.节能环保节能环保v 2.2.无需装备散烟散热的通风装置无需装备散烟散热的通风装置 v 3.3.成本低成本低, ,效率高效率高 v 4.4.容易实现自动化生产容易实现自动化生产v 5.5.焊接强度高，粘接牢固焊接强度高，粘接牢固v 6.6.焊点美观，可实现无缝焊接，防潮防水，气密性好焊点美观，可实现无缝焊接，防潮防水，气密性好4超声波焊接工艺超声波熔接的工作原理超声波熔接的工作原理v超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前5
3、0/60Hz50/60Hz的电频转变成的电频转变成20KHz20KHz或或40KHz40KHz的电能高频电能，供的电能高频电能，供应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置！声学装置！ 振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使塑胶熔化，塑胶熔化， 振动会在熔融状态物质到达其介面时停
4、止，振动会在熔融状态物质到达其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键，键， 整个周期通常是不到一秒种便完成，但是其焊接强整个周期通常是不到一秒种便完成，但是其焊接强度却接近是一块连着的材料。度却接近是一块连着的材料。5超声波焊接工艺超声波熔接的工作原理超声波熔接的工作原理v 如下图所示，振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦如下图所示，振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。焊头HORN工件熔合振动能6超声波焊接工艺超声波熔接的工
5、作原理超声波熔接的工作原理7超声波焊接工艺超声波熔接机的工作原理示意图超声波熔接机的工作原理示意图超声波熔接机工作原理图超声波熔接机工作原理图电源电源换能器换能器调幅器调幅器焊头焊头8超声波焊接工艺常用的超声波熔接机介绍常用的超声波熔接机介绍vNo.1 美国必能信公司美国必能信公司Bransonv 其它：其它：v Herrmannv Rincov Sonitekv Dukane9超声波焊接工艺常用的超声波熔接机常用的超声波熔接机(3000W以下以下)10超声波焊接工艺常用的超声波熔接机常用的超声波熔接机(3000W以上以上)11超声波焊接工艺常用的超声波熔接机常用的超声波熔接机(多头多头)12
6、超声波焊接工艺超声波熔接技术的应用超声波熔接技术的应用v 1.1.熔接熔接WeldingWeldingv 2.2.铆接铆接StakingStakingv 3.3.埋植埋植InsertionInsertionv 4.4.成型成型Swaging/FormingSwaging/Formingv 5.5.点焊点焊Spot weldingSpot weldingv 6.6.切除切除DegatingDegatingv 7.7.其它用途其它用途Others Others 13超声波焊接工艺铆接铆接- -Staking Staking 14超声波焊接工艺标准铆接方式标准铆接方式- -Standard Prof
7、ile StakeStandard Profile Stake15超声波焊接工艺圆盖铆接方式圆盖铆接方式- -Dome StakeDome Stake16超声波焊接工艺咬花成型铆接方式咬花成型铆接方式- -Knurled StakeKnurled Stake17超声波焊接工艺平头铆接方式平头铆接方式- -Flush StakeFlush Stake18超声波焊接工艺中空铆接方式中空铆接方式- -Hollow StakeHollow Stake19超声波焊接工艺高压铆接方式高压铆接方式- -High Pressure StakeHigh Pressure Stake20超声波焊接工艺埋植埋植-
8、-InsertionInsertion21超声波焊接工艺成型成型- -Swaging/FormingSwaging/Forming22超声波焊接工艺点焊点焊- -Spot WeldingSpot Welding23超声波焊接工艺切除切除- -DegatingDegating24超声波焊接工艺超声波熔接适用的材料超声波熔接适用的材料v 哪些材料可以用超声波来焊接呢哪些材料可以用超声波来焊接呢? ?v 由超声波的工作原理我们可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时由超声波的工作原理我们可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时间短，所以产生的热量有限，所以一般只适用于一些熔点较低间短，所以产生的热量
9、有限，所以一般只适用于一些熔点较低(400 (400 以以下下) )的材料。主要以热塑性的聚合物即塑料为主。我们主要了解一下各种的材料。主要以热塑性的聚合物即塑料为主。我们主要了解一下各种塑料的熔接特性。一般来说，聚合物的熔点越高，其焊接所需的超音波塑料的熔接特性。一般来说，聚合物的熔点越高，其焊接所需的超音波能量越多。材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。能量越多。材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。总的说来，愈硬的材料其传导力愈强。总的说来，愈硬的材料其传导力愈强。 25超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素26超声波焊接工艺影响超声波
10、熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素v 由前面的公式中我们可以看到影响超声波熔接的能量的因素有哪些。其具体表现由前面的公式中我们可以看到影响超声波熔接的能量的因素有哪些。其具体表现有哪些呢？有哪些呢？v 1.1.气压气压 我们可以通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越我们可以通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越大大v 2.2.下降速度下降速度超声波熔接机上有相应的旋钮，一般来说，下降速度越大，超声波熔接机上有相应的旋钮，一般来说，下降速度越大，v能量越大能量越大v 3.3.频率频率超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大v 4
11、.4.振幅振幅振幅的变化因素比较多，就一般来说，振幅的调整可以通振幅的变化因素比较多，就一般来说，振幅的调整可以通过过v调幅器和焊头的设计来达到调幅器和焊头的设计来达到v 5.5.时间时间我们可以调整焊接机的焊接时间，时间越长，焊接的能量我们可以调整焊接机的焊接时间，时间越长，焊接的能量越大越大v 6.6.保压时间保压时间保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，v形成的焊点越稳定，变形越小形成的焊点越稳定，变形越小27超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素v 让我们回顾一下之前的超声波熔接机的工作原理图。让
12、我们回顾一下之前的超声波熔接机的工作原理图。超声波熔接机工作原理图超声波熔接机工作原理图电源电源换能器换能器调幅器调幅器焊头焊头28超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素( (频率频率) )v 换能器换能器ConverterConverterv 作用作用: :将电能转换成机械能将电能转换成机械能v 组成组成: :陶瓷晶片和传动头陶瓷晶片和传动头v 原理原理: :电流经过换能器，令换能器内产生电磁振荡，再经电流经过换能器，令换能器内产生电磁振荡，再经过压电陶瓷片，令压电陶瓷片产生振动，振动经过金属头，过压电陶瓷片，令压电陶瓷片产生振动，振动经过金属头，传到调幅器传到调幅器
13、v 表面振幅表面振幅: :2020KHz = 0.02mmKHz = 0.02mmv 3 30 0KHz = 0.015mmKHz = 0.015mmv 4 40 0KHz = 0.01mmKHz = 0.01mm29超声波焊接工艺换能器的工作原理换能器的工作原理磁伸缩磁伸缩磁伸缩磁伸缩( Magnetostrictive Principle )30超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素( (调幅器调幅器) )调幅器调幅器(Booster)31超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素( (焊头焊头) )焊头焊头(Horn)32超声波焊接工艺影响超声
14、波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素( (焊头焊头) )v 焊头通常是一个半波长的共振金属块，将振动能量传递到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工件上v 焊头的材料一般选择钛合金，铝合金以及钢铁焊头的材料一般选择钛合金，铝合金以及钢铁v 焊头还可以根据需要进行以下的处理：焊头还可以根据需要进行以下的处理：v高碳钢嵌入高碳钢嵌入v阳极处理阳极处理v镀铬镀铬33超声波焊接工艺雕刻成型焊头雕刻成型焊头- -Contour Machined HornContour Machined Horn34超声波焊接工艺全波长焊头全波长焊头- -Full Wave HornFull Wa
15、ve Horn35超声波焊接工艺复合式焊头复合式焊头- -Composite HornComposite Horn36超声波焊接工艺加装压板的焊头加装压板的焊头- -Plunger On HornPlunger On Horn37超声波焊接工艺真空焊头真空焊头- -Vaccum HornVaccum Horn38超声波焊接工艺切削焊头切削焊头- -Cutting HornCutting Horn39超声波焊接工艺影响超声波熔接能量的因素影响超声波熔接能量的因素( (振幅振幅) )40超声波焊接工艺超声波熔接夹具超声波熔接夹具-底模底模( (FixtureFixture) )v 在焊接时需要对下
16、面的工件进行固定及支撑，这也是非常在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑，这也是非常重要的。固定的夹具称之为底模。重要的。固定的夹具称之为底模。v 底模的设计主要要考虑以下几点：底模的设计主要要考虑以下几点：v 1.1.工件吻合工件吻合这就要求定位准确且牢固，使得工件在这就要求定位准确且牢固，使得工件在焊接的过焊接的过v程中不会移动程中不会移动v 2.2.工件支撑工件支撑要求支撑稳固，不然振幅会被消弱要求支撑稳固，不然振幅会被消弱v 3.3.定位及取放方便定位及取放方便缩短工作时间，提高生产率缩短工作时间，提高生产率v 4.4.其它特殊要求其它特殊要求41超声波焊接工艺底模底模1 142超声波
17、焊接工艺底模底模2 243超声波焊接工艺超声波熔接机参数调校超声波熔接机参数调校v 以以BRANSON BRANSON 88008800机型例机型例v 基本调整程序如下基本调整程序如下44超声波焊接工艺调幅器选择 焊头调谐 焊头工件底模之间的校准 调整：焊接压力 焊接时间 保压时间 调整：行程速度 下降时间 机械式止动器45超声波焊接工艺被焊工件负载监控表过载负载20%至95%过载时候压力较高减低下降速度降低动力触发值用较低比例的调幅器使用功率更大的焊机焊接不充分增加焊接时间和压力采用更高比例的调幅器焊接过度减少焊接时间或降低压力采用较低比例的调幅器工件的检查或试验欠佳良好参数记录46超声波焊
18、接工艺调幅器的选择调幅器的选择v 焊接面积焊接面积-面积越大面积越大, ,需要振幅越高需要振幅越高v 工件材料工件材料-PP/PE/PP/PE/尼龙等较难焊的晶型树脂尼龙等较难焊的晶型树脂, ,需要的振需要的振幅较高幅较高v 工件构造工件构造-工件有细长的柱子或薄片等容易振裂的工件有细长的柱子或薄片等容易振裂的, ,应应采用采用v 较弱的振幅较弱的振幅47超声波焊接工艺调谐器的选择调谐器的选择v 能源供应部份必须调谐得与换能器、调幅器、焊头的每种能源供应部份必须调谐得与换能器、调幅器、焊头的每种组合相配合组合相配合v 正常情况：测试时，负载表的读数应少于正常情况：测试时，负载表的读数应少于20
19、%20%v 异常情况：负载大于异常情况：负载大于20%20%v 应检查：应检查：A A焊头是否锁紧？焊头是否锁紧？ vB B连接螺杆是否完好？连接螺杆是否完好？vC C连接面是否清洁？连接面是否清洁？vD D焊头是否有裂痕（用油涂于表面，测试音波焊头是否有裂痕（用油涂于表面，测试音波时，时，v可见到裂痕位置可见到裂痕位置48超声波焊接工艺对位与行程对位与行程v对位对位v 焊头、工件与底模之间的对位焊头、工件与底模之间的对位v 工件放于底模，将气压放掉，焊头用力往下拉，对准接触面工件放于底模，将气压放掉，焊头用力往下拉，对准接触面v 然后将底模在底板上固定好然后将底模在底板上固定好v行程行程v
20、以方便取放工件为宜以方便取放工件为宜v切记不能将焊头直接接触底模或底板的金切记不能将焊头直接接触底模或底板的金属等硬质材料，很可能会导致换能器的破属等硬质材料，很可能会导致换能器的破坏。坏。49超声波焊接工艺压力压力v 1.1.压力过低压力过低, ,会延长焊接时间会延长焊接时间, ,使工件表面产生疤痕使工件表面产生疤痕v 或质量不佳或质量不佳v 2.2.压力过高压力过高, ,会使工件破裂会使工件破裂, ,使界面结合欠佳使界面结合欠佳, ,v 甚至过载甚至过载, ,而终止超声而终止超声50超声波焊接工艺焊接时间与保压时间焊接时间与保压时间v 1.1.过长的焊接时间过长的焊接时间, ,会产生飞边或
21、质量下降会产生飞边或质量下降, ,特别是严格密特别是严格密封的封的v 场合下场合下, ,更要注意更要注意, ,v 2.2.过长的焊接时间过长的焊接时间, ,会使工件偏离焊接区、表面熔化或破会使工件偏离焊接区、表面熔化或破裂，裂，v 特别是有孔部位、模合线上或头角处。特别是有孔部位、模合线上或头角处。v 3.3.一般一般0.30.3S0.5S,S0.5S,在有弹力装置、材料熔点高或材料有弹在有弹力装置、材料熔点高或材料有弹v 性时性时, ,要加大保压时间。如：要加大保压时间。如：PP/PEPP/PE等。等。51超声波焊接工艺动力触发器动力触发器v 用来控制超声波发出的时间用来控制超声波发出的时间
22、v 旋钮刻度为旋钮刻度为123,123,刻度越大刻度越大, ,压力越大压力越大, ,范围范围6767N734NN734Nv 除非要克服变形或需要压缩除非要克服变形或需要压缩( (弹簧、膜片、密封件）的元弹簧、膜片、密封件）的元件，件，v 使用较高的触发压力外，一般都使用较低的触发压力使用较高的触发压力外，一般都使用较低的触发压力151552超声波焊接工艺一般开始参数一般开始参数v 设置时设置时, ,一般由小到大的原则一般由小到大的原则v 每次调整一种参数每次调整一种参数v压力表压力表:20 :20 触发压力触发压力:15:15v 焊接时间焊接时间:0.5:0.5S S 下降速度下降速度:15:
23、15v 保压时间保压时间:1:1S S53超声波焊接工艺超声波熔接结构设计超声波熔接结构设计v 超声波的熔接结构主要有两种：超声波的熔接结构主要有两种：v 1.1.导熔线导熔线Energy DirectorEnergy Directorv 2.2.剪切剪切ShearShearv 其中导熔线是最常用的一种结构，也是相对比较稳定的一其中导熔线是最常用的一种结构，也是相对比较稳定的一种结构，剪切的结构就相对比较难以控制。种结构，剪切的结构就相对比较难以控制。54超声波焊接工艺超声波熔接结构设计超声波熔接结构设计 导熔线导熔线v导熔线是在两个熔接面之一上形成一条三角形的凸出导熔线是在两个熔接面之一上形
24、成一条三角形的凸出材料，它的的基本作用是聚集能量，使之可以尽快达到熔材料，它的的基本作用是聚集能量，使之可以尽快达到熔解的温度，从而得到更好的熔接效果。导熔线的基本设计解的温度，从而得到更好的熔接效果。导熔线的基本设计如下图所示，实际应用时可根据具体要求改变。如下图所示，实际应用时可根据具体要求改变。非结晶聚合物半结晶聚合物55超声波焊接工艺超声波熔接结构设计超声波熔接结构设计 导熔线导熔线v 导熔线的优点主要有：导熔线的优点主要有：v1.1.增加熔接强度增加熔接强度v2.2.减少溢胶减少溢胶v3.3.减少熔接时间减少熔接时间v4.4.需要较小的振幅需要较小的振幅v 导熔线的设计主要有以下几种
25、：导熔线的设计主要有以下几种：56超声波焊接工艺阶梯型导熔线阶梯型导熔线-Step JointStep Jointv 阶梯型导熔线主要用于外观上需要精确对位以及不溢胶的阶梯型导熔线主要用于外观上需要精确对位以及不溢胶的设计设计57超声波焊接工艺沟槽型导熔线沟槽型导熔线- Tongue & GrooveTongue & Groovev 沟槽型导熔线主要用于双边不溢胶且能提供对位的功能设沟槽型导熔线主要用于双边不溢胶且能提供对位的功能设计，其也具备一定的防水功能。计，其也具备一定的防水功能。58超声波焊接工艺十字交叉型导熔线十字交叉型导熔线-Criss-CrossCriss-Crossv 十字交叉
26、型导熔线是一组导熔线相互垂直交叉，能缩短熔十字交叉型导熔线是一组导熔线相互垂直交叉，能缩短熔接时间，减少熔接功率，增加熔接强度，但是容易产生段接时间，减少熔接功率，增加熔接强度，但是容易产生段差及溢胶差及溢胶间断式间断式连续式连续式59超声波焊接工艺垂直墙壁型导熔线垂直墙壁型导熔线v 垂直墙壁型导熔线可以增加抗撕裂力以及减少溢胶。垂直墙壁型导熔线可以增加抗撕裂力以及减少溢胶。61超声波焊接工艺凿子型导熔线凿子型导熔线-Knife Edge With Texture SurfaceKnife Edge With Texture Surfacev 凿子型导熔线适用于壁厚较薄的零件，但是会降低焊接的
27、凿子型导熔线适用于壁厚较薄的零件，但是会降低焊接的强度。强度。62超声波焊接工艺咬花导熔面咬花导熔面v 咬花导熔面主要用于增强熔接强度，如下图所示咬花导熔面主要用于增强熔接强度，如下图所示63超声波焊接工艺防水的导熔线结构防水的导熔线结构v 防水的导熔线结构主要用于增加气密性，如下图所示，防水的导熔线结构主要用于增加气密性，如下图所示，密封圈密封圈64超声波焊接工艺剪切型熔接面剪切型熔接面v 剪切型熔接熔接过程是，首先熔化开始接触的小面积材料，剪切型熔接熔接过程是，首先熔化开始接触的小面积材料，然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引到工件里头去。然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引到工件里头
28、去。如图所示如图所示65超声波焊接工艺剪切型熔接面剪切型熔接面v 剪切型熔接的优点：剪切型熔接的优点：v 1.1.熔接强度高，气密性好。熔接强度高，气密性好。v 2.2.适合所有的塑胶材料，特别是具提早固体特性的半结晶适合所有的塑胶材料，特别是具提早固体特性的半结晶性塑胶性塑胶v 剪切型熔接的缺点剪切型熔接的缺点v 1.1.不适用形状复杂或者有直角的转角的结构不适用形状复杂或者有直角的转角的结构v 2.2.熔接需要坚固的侧边墙壁支撑，不然会变形。熔接需要坚固的侧边墙壁支撑，不然会变形。v 3.3.需要较大的振幅及功率，只适用于小一点的工件需要较大的振幅及功率，只适用于小一点的工件66超声波焊接
29、工艺剪切型熔接面剪切型熔接面v 剪切型熔接的熔接深度一般为剪切型熔接的熔接深度一般为1.25W(1.25W(壁厚壁厚) )最小为最小为0.5W 0.5W 最最大为大为1.75W1.75W，干涉量见下表，干涉量见下表67超声波焊接工艺超声波熔接设计中应注意的问题超声波熔接设计中应注意的问题v 超声波熔接应避免以下的设计超声波熔接应避免以下的设计68超声波焊接工艺超声波熔接设计中应注意的问题超声波熔接设计中应注意的问题焊头与工件的接触面积越大越好，如果小于熔接区域的面积，会焊头与工件的接触面积越大越好，如果小于熔接区域的面积，会很容易导致表面伤痕。很容易导致表面伤痕。69超声波焊接工艺超声波熔接设
30、计中应注意的问题超声波熔接设计中应注意的问题v 远场与近场熔接远场与近场熔接v 近场熔接指的是熔接面距离焊头接触面的位置在近场熔接指的是熔接面距离焊头接触面的位置在6.356mm6.356mm以内，大于以内，大于6.356mm6.356mm的称为远场熔接。一般尽可能避免远的称为远场熔接。一般尽可能避免远场熔接场熔接近场熔接近场熔接远场熔接远场熔接70超声波焊接工艺超声波熔接设计中应注意的问题超声波熔接设计中应注意的问题v 薄膜效应薄膜效应v 在平的圆型的，壁厚薄的位置容易产生胶件烧穿的现象。在平的圆型的，壁厚薄的位置容易产生胶件烧穿的现象。解决措施如下：解决措施如下：v 1.1.减少熔接时间减
31、少熔接时间v 2.2.改变振幅或频率，并进行振幅剖析改变振幅或频率，并进行振幅剖析v 3.3.增加壁厚增加壁厚v 4.4.工件内部增加支撑肋工件内部增加支撑肋v 5.5.焊头上设计节点活塞焊头上设计节点活塞71超声波焊接工艺超声波熔接设计中应注意的问题超声波熔接设计中应注意的问题v 其他应考虑的问题：其他应考虑的问题：v 1.1.熔接的部位不得有涂装，电镀等表面处理。熔接的部位不得有涂装，电镀等表面处理。v 2.2.增加导熔槽，避免溢胶。增加导熔槽，避免溢胶。72超声波焊接工艺案例分析案例分析前盖前盖PC+玻纤玻纤焊头焊头镜片镜片PMMA73超声波焊接工艺超声波熔接的局限性与危害超声波熔接的局
32、限性与危害v 超声波虽然有这么多优点，也有它的一些局限性和危害：超声波虽然有这么多优点，也有它的一些局限性和危害：v 1.1.对于工件的材料有限制。对于工件的材料有限制。v 2.2.功率不大，限制了熔接的面积。功率不大，限制了熔接的面积。v 3.3.目前超音波熔接对超音机的调机技术，以及超音波操作目前超音波熔接对超音机的调机技术，以及超音波操作者的细心程度都有很大的依赖性。者的细心程度都有很大的依赖性。 v 4.4.超声波熔接是破坏性的焊接，不可以重工超声波熔接是破坏性的焊接，不可以重工v 5.5.超声波对于人的听力有伤害，应准备好劳保用品。超声波对于人的听力有伤害，应准备好劳保用品。74超声波焊接工艺
