超声波焊头如何设计

超声波焊接机的工作原理!

超声波焊接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz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能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波焊接机的焊头。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塑胶熔化，

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键，

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!!

超声波焊头由上、下模两部分组成。超声波的机械振动经增幅器放大后传给焊头，焊头的形状和尺寸取决于工件表面，焊头用螺纹联结方法固定在增幅器下端。不同产品焊接要求不同，对焊头的设计要求便不同。

1、模具的振幅参数振幅对于需要焊接的材料来说是一个关键参数，相当于铬铁的温度，温度达不到就会熔接不上，温度过高就会使原材料烧焦或导致结构破坏而强度变差。因为每一间公司选择的换能器不同，换能器输出的振幅都有所不同，经过适配不同变比的变幅杆及焊头，能够校正焊头的工作振幅以符合要求，通常换能器的输出振幅为10—20μm，而工作振幅一般为30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状，前后面积比等因素有关，形状来说如指数型变幅、函数型变幅、阶梯型变幅等，对变比影响很大，前后面积比与总变比成正比。贵公司选用的是不同公司品牌的焊接机，最简单的方法是按已工作的焊头的比例尺寸制作，能保证振幅参数的稳定

2、 模具频率参数任何公司的超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、40 KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器（Transducer）、变幅杆（Booster）、和焊头（Horn）的机械共振频率所决定，发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作在谐振状态，每一个部份都设计成一个半波长的谐振体。发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围，如一般设定为±0.5 KHz，在此范围内焊接机基本都能正常工作.我们制作每一个焊头时，都会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1 KHZ，如 20KHz 焊头，我们焊头的频率会控制在19.90—20.10 KHz，误差为5‰

生产一套超声波模具，要考虑以下各项因素：

1、　产品的要求： 决定模具的使用寿命，磨损率，因而决定采用何种金属。

2、　产品的形状： 采用何种熔接工艺，设定模具的大小，压力传达区，产品在熔合时可能产生的变形，需要多大功率和何种功能。是否可以一次熔接 完成工作。

3、 产品的塑料性质：决定模具的工作震幅，那一件工作应接受超声能量，导能线的形式，位置，大小。

https://wenku.baidu.com/search?lm=3&word=%C8%E7%BA%CE%C9%E8%BC%C6%B3%AC%D2%F4%B2%A8%C8%DB%BD%D3%CF%DF&org=0

超声波塑料件的焊接线设计

代注塑方式能有效提供比较完美的焊接用塑胶件。光我们决定用超声波焊接技术完成熔合时，塑料件的结构设计必须首先考虑如下几点：

1 焊缝的大小（即要考虑所需强度）

2 是否需要水密、气密

3 是否需要完美的外观

4 避免塑料熔化或合成物的溢出

5 是否适合焊头加工要求

焊接质量可能通过下几点的控制来获得：

1 材质

2 塑料件的结构

3 焊接线的位置和设计

4 焊接面的大小

5 上下表面的位置和松紧度

6 焊头与塑料件的妆触面

7 顺畅的焊接路径

8 底模的支持

为了获得完美的、可重复的熔焊方式，必须遵循三个主要设计方向：

1 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。

2 找到适合的固定和对齐的方法，如塑料件的接插孔、台阶或企口之类。

3 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。

下面就对塑料件设计中的要点进行分类举例说明：

整体塑料件的结构

1.1塑料件的结构

塑料件必须有一定的刚性及足够的壁厚，太薄的壁厚有一定的危险性，超声波焊接时是需要加压的，一般气压为2-6kgf/cm2 。所以塑料件必须保证在加压情况下基本不变形。

1.2罐状或箱形塑料等，在其接触焊头的表面会引起共振而形成一些集中的能量聚集点，从而产生烧伤、穿孔的情况（如图1所示），在设计时可以罐状顶部做如下考虑

○1 加厚塑料件

○2 增加加强筋

○3 焊头中间位置避空

1.3尖角

如果一个注塑出来的零件出现应力非常集中的情况，比如尖角位，在超声波的作用下会产生折裂、融化。这种情况可考虑在尖角位加R角。如图2所示。

1.4塑料件的附属物

注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因超声波振动产生影响而断裂或脱落，例如固定梢等（如图3所示）。通过以下设计可尽可能减小或消除这种问题：

○1 在附属物与主体相交的地方加一个大的R角，或加加强筋。

○2 增加附属物的厚度或直径。

1.5塑料件孔和间隙

如被焊头接触的零件有孔或其它开口，则在超声波传递过程中会产生干扰和衰减（如图4所示），根据材料类型（尤其是半晶体材料）和孔大小，在开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量预以避免。

1.6塑料件中薄而弯曲的传递结构

被焊头接触的塑件的形状中，如果有薄而弯曲的结构，而且需要用来传达室递超声波能量的时候，特别对于半晶体材料，超声波震动很难传递到加工面（如图5所示），对这种设计应尽量避免。

1.7近距离和远距离焊接

近距离焊接指被焊接位距离焊头接触位在6mm以内，远距离焊接则大于6mm，超声波焊接中的能量在塑料件传递时会被衰减地传递。衰减在低硬底塑料里也较厉害，因此，设计时要特别注意要让足够的能量传到加工区域。

远距离焊接，对硬胶（如PS，ABS，AS，PMMA）等比较适合，一些半晶体塑料（如POM，PETP，PBTB，PA）通过合适的形状设计也可用于远距离焊接。

1.8塑料件焊头接触面的设计

注塑件可以设计成任何形状，但是超声波焊头并不能随意制作。形状、长短均可能影响焊头频率、振幅等参数。焊头的设计需要有一个基准面，即按照其工作频率决定的基准频率面。基准频率面一般占到焊头表面的70%以上的面积，所以，注塑件表面的突超等形状最好小于整个塑料面的30%。一滑、圆弧过渡的塑料件表面，则比标准可以适当放宽，且突出位尽量位于塑料件的中部或对称设计。

塑料件焊头接触面至少大于熔接面，且尽量对正焊接位，过小的焊头接触面（如图6所示），会引起较大损伤和变形，以及不理想的熔接效果。

在焊头表面有损伤纹，或其形状与塑料件配合有少许差异的情况下，焊接时，会在塑料件表面留下伤痕。避免方法是：在焊头与塑料件表面之间垫薄膜（例如PE膜等）。

焊接线的设计

2 焊接线的设计

焊接线是超声波直接作用熔化的部分，其基本的两种设计方式：

○1 能量导向

○2 剪切设计

2.1能量导向

能量导向是一种典型的在将被子焊接的一个面注塑出突超三角形柱，能量导向的基本功能是：集中能量，使其快速软化和熔化接触面。能量导向允许快速焊接，同时获得最大的力度，在这种导向中，其材料大部分流向接触面，能量导向是非晶态材料中最常用的方法。

能量导向柱的大小和位置取决于如下几点：

○1 材料

○2 塑料件结构

○3 使用要求

图7所示为能量导向柱的典型尺寸，当使用较易焊接的材料，如聚苯乙烯等硬度高、熔点低的材料时，建议高度最低为0.25mm。当材料为半晶体材料或高温混合树脂时（如聚乙碳），则高度至少要为0.5mm，当用能量导向来焊接半晶体树脂时（如乙缩荃、尼龙），最大的连接力主要从能量柱的底盘宽带度来获得。

没有规则说明能量导向应做在塑料件哪一面，特殊情况要通过实验来确定，当两个塑料件材质，强度不同时，能量导向一般设置在熔点高和强度低的一面。

根据塑料件要求（例如水密、气密性、强度等），能量导向设计可以组合、分段设计，例如：只是需要一定的强度的情况下，分段能量导向经常采用（例如手机电池等），如图8所示。

2.2能量导向设计中对位方式的设计

上下塑料件在焊接过程中都要保证对位准确，限位高度一般不低于1mm，上下塑料平行检动位必须很小，一般小于0.05mm，基本的能量导向可合并为连接设计，而不是简单的对接，包括对位方式，采用能量导向的不同连接设计的例子包括以下几种：

插销定位：图9所示为基本的插销定位方式，插销定位中应保证插销件的强度，防此超声波震断。

台阶定位：图10所示为基本的台阶定位方式，如h大于焊线的高度，则会在塑料件外部形成一条装饰线，一般装饰线的大小为0.25mm左右，创出更吸引人的外观，而两个零件之间的差异就不易发现。

图11所示台阶定位，则可能产生外溢料。图12所示台阶定位，则可能产生内溢料。图13所示台阶定位为双面定位，可防止内外溢料。

○1 企口定位：如图14所示，采用这种设计的好处是防止内外溢料，并提供校准，材料容易有加强密封性的获得，但这种方法要求保证凸出零件的斜位缝隙，因此使零件更难能可贵于注塑，同时，减小于焊接面，强度不如直接完全对接。

○2 底模定痊：如图15所示，采用这种设计，塑料件的设计变得简单，但对底模要求高，通常会引致塑料件的平行移位，同时底模固定太紧会影响生产效果。

○3 焊头加底模定位：如图16所示，采用这种设计一般用于特殊情况，并不实用及常用。

○4 其它情况：

A：如图17所示，为大型塑料件可用的一种方式，应注意的是下支撑模具必须支撑住凸缘，上塑料件凸缘必须接触焊头，上塑料件的上表面离凸缘不能太远，如必要情况下，可采用多焊头结构。

B：如连接中采用能量导向，且将两个焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整个焊接的质量和力度，通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。

C：在焊接不易熔接的树脂或不规则形状时，为了获得密封效果，则有必要插入一个密封圈，如图18所示，需要注意的是密封圈只压在焊接末端。图19所示为薄壁零件的焊接，比如热成形的硬纸板（带塑料涂层），与一个塑料盖的焊接。

2.3剪切式设计

在半晶体塑料（如尼龙、乙缩醛、聚丙烯、聚乙烯和热塑聚脂）的熔接中，采用能量导向的连接设计也许达不到理想的效果，这是因为半晶体的树脂会很快从固态转变成融化状态，或者说从融化状态转化为固态。而且是经过一个相对狭窄的温度范围，从能量导向柱流出的融化物在还没与相接界面融合时，又将很快再固化。因此，在这种情况下，只要几何原理允许，我们推荐使用剪切连接的结构。

采用剪切连接的设计，首先是熔化小的和最初触的区域来完成焊接，然后当零件嵌入到下起时，继续沿着其垂直壁，用受控的接触面来融化。如图20所示，这样可能性获得强劲结构或很好的密封效果，因为界面的熔化区域不会让周围的空气进来。由于此原因，剪切连接尤其对半晶体树脂非常有用。

剪切连接的熔接深度是可以调节的，深度不同所获得的强度不同，熔接深度一般建议为0.8-1.5mm，当塑件壁厚及较厚及强度要求高时，熔接深度建议为1.25X壁厚。

图21所示为几种基本的剪切式结构：

剪切连接要求一个塑料壁面有足够强度能支持及防止焊接中的偏差，有需要时，底模的支撑高于焊接位，提供辅助的支撑。

实在不了解，可以电话我。13928887644

超声波塑料焊接原理

超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积

超声波金属焊接原理

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz ）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将线框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

不良原因分析：有经验的工程师可能也知道，用超声波焊接完后有时候会出现Gap不均匀的现像， 就是有些地方的Gap大，有些地方的Gap小，导致产品十分丑陋。

不良原因一：超声线的设计不良。

不良原因二：超声零件的材质不同，在超声焊接中，两被超声的零件尽可能使用相同的材料。如像PA,它就只能与PA相互超声连接。POM,只能与POM相互超声。使用不同的材料相互超声，更严重的会有根本无法焊接的现象。相对来讲，半结晶塑胶比较容易出现不易超声或是超声不良。

不良原因三：

超声零件过于潮湿或是零件内掺有玻纤或是其它阻燃剂等化学成分，也会导致超困难或是不良现像。

超声波焊接机的焊接技术是一种高科技，一切热熔性塑料制品皆可应用，不需加溶剂、粘贴剂或其它辅助品，提高生产率、成本低、提高产品质量及生产安全。超声波熔接，它是通过供电箱将市电转变成高频高压信号，再通过换能器系统把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品上，使塑料制品两部分间产生高速摩擦，温度上升，当温度达到制品本身熔点时，使制品接口迅速熔化，同时制品在一定压力下冷却定形，从而达到完美焊接。超声波焊接分为以下几种：

工具/原料

超声波焊接机

超声波换能器

方法/步骤

一、超声波点焊

两件平面塑料件，无舌榫亦无铆钉，焊头设计成手枪状，将一端焊穿而熔合另一平面中。优点在于焊接面不需任何特别设计，针对大型平面工件，焊头振幅高，焊头面的设计要视最后要求而设计。

二、超声波焊接

典型的超声波焊接面的设计必须具备以下两个功能：

1.舌榫的设计保证在焊接周期中对位方便；

2.焊线设计纤细，但必须有足够的可熔化材料令焊接面熔合。具体设计方式要视应用在焊接何种工件设备中。焊接压力、振幅等参数可调，保证焊头能接触到焊接面并施压，下工件为接受压力部分，置于底模中不动。焊头因产生超声波高频，令上工件震动生热，因而能与下工件熔合，焊头停止震动后，压力保持，令熔解位置冷却成型，整个焊接时间大多为一秒。这个方式在行业应用方面非常广泛，例如汽配，医疗，玩具文具等。

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三、超声波埋插

指埋植金属及镙丝于塑料件上。焊头接触金属钉，因震动生热，令钉子埋插于塑料件中。

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四、超声波铆接

此方式用于两件不同材料的塑料件，一方为一塑料铆钉贯穿另一件材料，焊头焊接面设计成铆钉包覆状。高频震动生热令塑料钉熔解成型包覆在另一件材料上。

一．超声波应用原理

我们知道正确的波的物理定义是：振动在物体中的传递形成波。这样波的形成必须有两个条件：一是振动源，二是传播介质。波的分类一般有如下几种：一是根据振动方向和传播方向来分类。当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ，所以在这个范围之内的波叫做声波。低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波叫超声波。

波在物体里传播，主要有以下的参数：一是速度V，二是频率F，三是波长λ。三者之间的关系如下：V=F.λ。波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。

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、 超声波焊机的组成分

超声波焊接机主要由如下几个分组成：发生器、气动分、程序控制分，换能器分。

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。

程序控制分控制整机器的工作流程，做到一致的加工效果。

换能器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。

3．换能器分由三分组成：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。压电陶瓷换能器具有转换效率高，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10μm左右。

②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。

二：超声波工作原理：

热可塑性塑料的超声波加工，是利用工作接面间高频率的摩擦而使分子间急速产生热量，当此热量足够熔化工作时，停止超声波发振，此时工件接面由熔融而固化，完成加工程序。

通常用于塑料加工的频率有20KHZ和15KHZ，其中20KHZ仍在人类听觉之外，故称为超声波，但15KHZ仍在人类听觉范围只内。

三：超声波机构原理：

将220V，50HZ转变为15KHZ（或20KHZ）之高压电能，利用震动子转换成机械能。如此的机械振动，经由传动子，焊头传至加工物，并利用空气压力，产生工作接面之摩擦效果。振动子和传动子装置在振筒内，外接焊头，利用空压系统和控制回路，在事先设定之条件下升降，以完成操作程序。

四：组件功用说明：

1.延迟时间设定：调整开始发振时间，在限制开关动作后0~9.99秒开始发振。

2.熔接时间设定：调整熔接时间长短，在延迟时间终了发振0~9.99秒之范围。

3.硬化时间设定：调整发振终了工作物熔接处冷却定型时间在0~9.99秒之范围。

4.计数器：工作循环次数记录用，附有归零压扣。

5.调整及压力表：工作压力之指示及调整压力用。

6.声波调整：调整振动子系与发振回路之共振匹配，使转换效率达到理想。

7.振幅表：显示声波空载或负载工作之振幅强弱。

8.电源开关及灯：电源开关之控制，及指示开路之信号

9.选择开关（自动/手动/声波检查）：自动或手动之选择，及作声波空载检视之按纽。

10.声波出力调整纽：声波出力段数之设定用，1~2段为一般使用，3~4段为强力输出用。

11.声波过载灯：显示声波过载之不正常，需做声波调整，至过载灯不会显示为止。（若仍无法解除，请来电洽询）

12.频率指示：调试机器时做机器频率显示

13焊头：传动振动能量于工作物之上，使之熔接。

14上升/下降缓冲调整：调整孔位于机台侧面可适当调整，使升降惯性适中。

15下降速度调整：调整合理适当之下降工作速度用。

16熔接位置视窗：检视正常熔接时焊头压附工作物之状况。

17.最低点微调螺丝：在熔接熔化块，或外形尺寸需精确时使用可限制汽缸之下降。

18水平微调螺丝：调整此四支螺丝，可使焊头平均压附在工作物上。

19输出电缆及插座：联接机体振动子系统与发振箱线路用。

20控制电缆及插座：联接机体控制单元与发振箱自动控制回路用。

21接地螺母：电子回路之接地线连接用，漏电时之安全保障。

22保险丝座：电子线路之过载保护。

五：机器安装法：

1.将发振箱放置于机体附近操作员易于观察及调整之处。

2.接地：将地线一端接地，另一端接于发振箱后面之接地旋钮。

3.发振箱与机体联接：将机体之输出电缆插头及控制电缆插头接于发振箱插座及机体插座上

4.接空压源：将高压气压管引清净干燥之空压源与熔接机体上空气滤清器入口接头以管束结合锁紧。

5.接电源：发振箱后面之电源线及插头，请接上AC220V，∮60/50HZ电源。

六：各调整及熔接前准备工作：

1.装焊头：

（1）先将换能器（CONE）及焊头（HORN）以及焊头螺丝，以酒精或汽油擦洗干净，再将焊头螺丝及换能器，焊头结合面抹上一层薄薄的黄油脂再将焊头螺丝锁于焊头上。注意：换能器，焊头之结合面若有损伤时，振动之传达效率会递减，应谨保养。

（2）再紧固4支焊头水平调整螺丝，将换能器固定在其旋转范围之中间位置处。

（3）把焊头用手旋入换能器到不能回转为止。

（4）以焊头锁紧扳手焊头旋紧（约300Kg/cm之扭力），此时特别注意不让换能器旋转，以防止转梢扭断。（若发现旋转则4支焊头水平调整螺丝要再紧固些）。