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1、 超声波在塑料加工中的应用原理:
塑料加工中所用的超声波,现有的几种工作频率有15KHZ,18KHZ,20KHZ,40KHZ。 其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙,在加压 的情况下,使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化,使接触位塑料熔合,达到加工目的。
2、 超声波焊机的组成部分和原理
超声波焊接机主要由如下几个部分组成:发生器、气动部分、程序控制部分,换能器部分。
发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频(例如20KHZ)的高压电波。
气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。
程序控制部分控制整部机器的工作流程,做到一致的加工效果。
换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动,经过传递、放大、达到加工表面。
现在国内应用较多的发生器一般有两种:一种是采用的桥式功放电路,保护电路采用相位保护,工作频率一般为20KHZ。其优点是电转换效率高, 缺点是频率调节电感调节范围窄,频率跟踪性能较差。另一个缺点是功率不可能做得很大,也就是3KW左右;另一种是台湾型机器,普遍采用 B类功放、过流保护、桥式反馈。优点是功率可以做得较大(如),频率跟踪性能好,大功率情况下一般采用15KHZ的工作频率。缺点是电转化效 率较低,15KHZ的工作频率是人耳所能听到的,反映出噪声较大;另外还有瑞士、德国、日本的采用频率自动跟踪技术的机器。因其价格较高 , 国内并不常见。
换能器部分由三部分组成: 换能器(TRANSDUCER);增幅器(又称二级杆、变幅杆,BOOSTER);焊头(又称焊模,HORN或SONTRODE)。
1 换能器(TRANSDUCER): 换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。将电信号转换成机械振动信号有两种物理效应可以应用。A:磁致伸 缩效应。B:压电效应的反效应。磁致伸缩效应在早期的超声波应用中较常使用,其优点是可做的功率容量大;缺点是转化效率低,制作难度大, 难于大批量工业生产。自从朗之万压电陶瓷换能器的发明,使压电效应反效应的应用得以广泛采纳。压电陶瓷换能有转换效率高,大批量生 产等优点,缺点是制作的功率容量偏小。现有的超声波机器一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用两个金属的前后负载块将压电陶瓷 夹在中间,通过螺杆紧密连接而制成的。通常的换能器输出的振幅为10μ m 左右。
2 变幅杆(BOOSTER): 变幅杆本身就是一条金属柱,通过形状的设计,可以将换能器传递过来的振幅进行放大,达到加工塑料件所需能量振 幅,相当于加热的温度,如我们常用的ABS、AS塑料所需的加工振幅为20μ m 左右;尼龙、聚所需的加工振幅为50μ m 左右。
3 焊头(HORN) :焊头的作用是对于特定的塑料件制作,符合塑料件的形状、加工范围等要求。
换能器、变幅杆、焊头均设计为所工作的超声频率的半波长,所以它们的尺寸和形状均要经过特别的设计;任何的改动均可能引致频率、加工效 果的改变,它们需专业制作。耐用根据所采用的材料不同,尺寸也会有所不同。适合做超声波的换能器、变幅杆和焊头的材料有:钛合金、铝合 金、合金钢等。由于超声波是不停地以20KHZ左右高频振动的,所以材料的要求非常高,并不是普通的材料所能承受的。
为了获得完、可重复的超声波熔焊方式,必须遵循三个主要设计方向:
1.围绕着连接界面的焊接面必须是统一而且相联系互紧密接触的。如果可能的话,接触面尽量在同一个平面上,这样可使能量转换时保持一 致。
2.最初接触的两个表面必须小,以便将所需能量集中,并尽量减少所需要的总能量(即焊接时间)来完成熔接。
3.找到适合的固定和对齐的方法,如塑料件的接插孔、台阶或齿口之类。
确定了工作频率后,一般需要考虑功率大小。每个工件频率一般都可以有几个功率级别。如20kHz的工作频率,大多数设备厂商提供的超声波焊接 机的功率范围是1~5Kw。多数情况下可以在供应商、研究机构和大学的实验室通过实验决定所需功率大小。如果不能预先从理论上确定所需功率, 那么选择功率,以保证设备能满足应用需求。
同样,选择设备时必须确定焊件于采用切入式焊接还是连续焊接。如果是缝合型焊件,多数设备制造商都有这类标准设备,他们也可以提 供许多花纹的其他标准旋转砧座。多数砧座进行切割、密封和焊接。如果焊件要求非常宽的连续焊缝(从130px到3050px以上),必须设计专用设 备。
其他设备因素包括控制水平、振幅控制、振幅轮廓和存储程序控制能力。对于一些应用,这些选项能提高焊接质量和密度。另一方面,在应用实 验室中的测试可以帮助决定需要哪些选项。也应该注意到对于大多数设备制造商,购买后焊接设备再增加一些选项也是可以的。