超聲波焊接機的焊接工藝參數

超聲波焊接機參數

超聲波焊接機的焊接時間
焊接時間是施加振動的時間。每一用途合適的焊接時間由試驗確定。增加焊接時間會提高焊縫強度直至達到最佳時間為止。進一步增加焊接時間會導致焊縫強度降低或者只是稍稍增加強度，而與此同時會增加焊縫飛邊和提高產生零件壓痕的可能性。避免過焊是很重要的，因為會產生需修整的過量飛邊，這可能降低焊縫質量，在需密封接頭的零件中產生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長焊接時間時在遠離接頭區域的零件部分還可能出現熔化和斷裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

超聲波焊接機的保壓時間
保壓時間是指焊后零件在無振動壓力下結合和凝固的標稱時間。在大部分情況下，它并不是一個關鍵參數，0.3~0.5 s 一般足夠了，除非內載荷易于拆開焊接零件（如焊前壓縮的螺旋彈簧）。

超聲波焊接機的壓力
焊接壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動傳入零件中。在焊接循環的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對于良好焊接是必不可少的。如果壓力過低，會造成能量傳遞差或不足的熔體流動，導致不必要的長時間焊接循環。增加焊接壓力會減少實現相同位移所需的焊接時間。如果壓力過高，會造成沿流動方向的分子取向及降低焊縫強度，可能產生零件壓痕。極端情況下如果相對于焊頭端部振幅來說壓力過高，可能會過載、使焊頭停止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。隨著振幅的增加，可接受的壓力范圍變窄。因此高振幅時最重要的是找到最佳壓力。大多數超聲波焊接是在恒壓或恒力下進行的。對于某些裝置，循環過程中力是可以改變的，即進行力分階（force profiling），在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環后期下降的焊接壓力或作用力減少了從接頭處的材料擠出量，延長分子間擴散時間，減低分子取向并提高焊縫強度。對于有較低熔體黏度類似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強度。

超聲波焊接機的焊接模式
按時間焊接稱之為開環過程。待焊零件在焊頭下降和接觸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固定時間，通常是 0.2~ 1 s。這個過程并不出現成功焊接。成功焊接是在假設固定的焊接時間導致固定量的能量作用于接頭，產生可控量的熔化條件下的理想情況。實際上，從一個循環到下一循環保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個因素造成的（如兩零件之間的配合）。因為能量隨功率和時間而變化，時間固定，施加的能量從一個零件到下一零件會發生改變。對于一致性非常重要的大批量生產，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反饋控制的閉環過程。超聲波機器軟件測量吸收的功率并調節加工時間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個過程的假設是如果每道焊縫消耗的能量相同，接頭處熔化材料的數量每次是相同的。然而實際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。結果，某些零件可能比其它零件獲得更多的能量，可能造成焊縫強度不一致。按距離焊接允許零件按特定的焊接深度連接。這種模式運作不取決于時間、吸收的能量或功率，補償模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保證了每次在接頭中熔化相同數量的塑料。為了控制質量，可以對形成焊縫所用的能量或所花的時間設定限度

超聲波焊接機的頻率
超聲波常用的頻率有 20、30、40 kHz，15 kHz 常用于半結晶性塑料。20 kHz 是最常用的超聲波頻率，因為這一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達到，但它可能產生大量難以控制的機械振動，工具變得很大。產生較少振動的較高頻率（40 kHz）是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強聚合物。高頻率焊接設備的優點包括 ：噪聲小、零部件尺寸小、增強零件保護（由于減少循環應力和接頭界面外部區域不加選擇的加熱）、提高機械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進行遠場焊接。較高頻率超聲波焊機通常用于焊接小型、精密零件（如電氣開關）及材料降解需較少的零件。對于 15 kHz 的焊機能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數情況下，比 20 kHz 焊機焊接時的材料降解少。用20 kHz 勉強能焊的零件（尤其是那些由高性能橡塑技術與裝備） ，用 15 kHz 能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長諧振長度，在所有維度可以做得更大。采用 15 kHz 的另一重要優點是同使用較高頻率相比，大大降低了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料及更大的遠場距離。

超聲波焊接機的振幅
成功焊接取決于焊頭端部的適當振幅。對于所有變幅桿 / 焊頭組合，振幅是固定的。根據待焊材料選擇振幅以獲得適當程度的熔化。一般說來，半結晶性塑料與非結晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅。現代超聲波焊機上的過程控制允許分階。高振幅用于開始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會改善剪切接頭設計零件的焊縫質量。對于對接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質量提高且焊接時間減少。在用導能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率（Qavg）取決于材料的復合損耗模量（Eʺ）、 頻率（ω）和作用應變（ε 0）： Qavg=ωε 02 Eʺ/2
熱塑性塑料的復合損耗模量與溫度密切相關。在達到熔點或玻璃化轉變溫度時，損耗模量增加，更多的能量轉化為熱能。在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升（達 1 000 ℃ /s）。作用應變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過改變振幅來控制焊接界面的加熱。振幅是一個控制熱塑性塑料擠壓流動速率的重要參數。高振幅時，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動速度較快，導致分子取向增加，產生大量飛邊及焊縫強度較低。高振幅對于開始熔化是必需的。太低的振幅產生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固。當增加振幅時，更大量的振動能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應力。在整個焊接循環過程中振幅恒定時，通常采用的是對待焊零件不至于產生過量損害的最高振幅。對于結晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結晶性塑料如 ABS 和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以機械調節（通過更換變幅桿或焊頭）或者電氣調節（通過改變提供給換能器的電壓）。在實踐中，較大振幅調節采用機械方式而微調用的是電氣方式。高熔點材料、遠場焊縫及半結晶性塑料通常需要比非結晶性塑料和近場焊縫更大的振幅。非結晶性塑料典型的總振幅范圍是 30~100 μm，而結晶性塑料為60~125 μm。振幅分階（amplitude profiling）能夠實現良好的熔體流動和一致的高焊縫強度。對于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于開始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向。

超聲波焊工藝參數
超聲焊接主要工藝參數有 ：振幅、焊接時間、保壓時間、焊接壓力、頻率等。最佳焊接規范隨待焊組件和所用的焊接設備而定。焊接參數的調節取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點和焊接接頭之間的距離。焊接能力受到塑料傳遞超聲振動能力（且零件不受到損傷）的限制。