超聲波塑料焊接機的應(yīng)用和焊接原理

一．超聲波應(yīng)用原理
    我們知道正確的波的物理定義是：振動在物體中的傳遞形成波。這樣波的形成必須有兩個條件：一是振動源，二是傳播介質(zhì)。波的分類一般有如下幾種：一是根據(jù)振動方向和傳播方向來分類。當(dāng)振動方向與傳播方向垂直時，稱為橫波。當(dāng)振動方向與傳播方向一致時，稱為縱波。二是根據(jù)頻率分類，我們知道人耳敏感的聽覺范圍是20HZ-20000HZ，所以在這個范圍之內(nèi)的波叫做聲波。低于這個范圍的波叫做次聲波，超過這個范圍的波叫超聲波。
    波在物體里傳播，主要有以下的參數(shù)：一是速度V，二是頻率F，三是波長λ。三者之間的關(guān)系如下：V=F.λ。波在同一種物質(zhì)中傳播的速度是一定的，所以頻率不同，波長也就不同。另外，還需要考慮的一點就是波在物體里傳播始終都存在著衰減，傳播的距離越遠，能量衰減也就越厲害，這在超聲波加工中也屬于考慮范圍。
1、 超聲波在塑料加工中的應(yīng)用原理：
    塑料加工中所用的超聲波，現(xiàn)有的幾種工作頻率有15KHZ，18KHZ，20KHZ，40KHZ。其原理是利用縱波的波峰位傳遞振幅到塑料件的縫隙，在加壓的情況下，使兩個塑料件或其它件與塑料件接觸部位的分子相互撞擊產(chǎn)生融化，使接觸位塑料熔合，達到加工目的。
2、 超聲波焊機的組成部分
    超聲波焊接機主要由如下幾個部分組成：發(fā)生器、氣動部分、程序控制部分，換能器部分。
    發(fā)生器主要作用是將工頻50HZ的電源利用電子線路轉(zhuǎn)化成高頻（例如20KHZ）的高壓電波。
    氣動部分主要作用是在加工過程中完成加壓、保壓等壓力工作需要。
    程序控制部分控制整部機器的工作流程，做到一致的加工效果。
    換能器部分是將發(fā)生器產(chǎn)生的高壓電波轉(zhuǎn)換成機械振動，經(jīng)過傳遞、放大、達到加工表面。
3．換能器部分由三部分組成：換能器（TRANSDUCER）；增幅器（又稱二級桿、變幅桿，BOOSTER）；焊頭（又稱焊模，HORN或SONTRODE）。
    ① 換能器(TRANSDUCER)：換能器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成機械振動信號。將電信號轉(zhuǎn)換成機械振動信號有兩種物理效應(yīng)可以應(yīng)用。A：磁致伸縮效應(yīng)。B：壓電效應(yīng)的反效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)在早期的超聲波應(yīng)用中較常使用，其優(yōu)點是可做的功率容量大；缺點是轉(zhuǎn)化效率低，制作難度大，難于大批量工業(yè)生產(chǎn)。自從朗之萬壓電陶瓷換能器的發(fā)明，使壓電效應(yīng)反效應(yīng)的應(yīng)用得以廣泛采納。壓電陶瓷換能器具有轉(zhuǎn)換效率高，大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，缺點是制作的功率容量偏小�，F(xiàn)有的超聲波機器一般都采用壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷換能器是用兩個金屬的前后負(fù)載塊將壓電陶瓷夾在中間，通過螺桿緊密連接而制成的。通常的換能器輸出的振幅為10μm左右。
    ② 焊頭（HORN）：焊頭的作用是對于特定的塑料件制作，符合塑料件的形狀、加工范圍等要求。
換能器、變幅桿、焊頭均設(shè)計為所工作的超聲頻率的半波長，所以它們的尺寸和形狀均要經(jīng)過特別的設(shè)計；任何的改動均可能引致頻率、加工效果的改變，它們需專業(yè)制作。耐用根據(jù)所采用的材料不同，尺寸也會有所不同。適合做超聲波的換能器、變幅桿和焊頭的材料有：鈦合金、鋁合金、合金鋼等。由于超聲波是不停地以20KHZ左右高頻振動的，所以材料的要求非常高，并不是普通的材料所能承受的。
二：超聲波工作原理：
    熱可塑性塑料的超聲波加工，是利用工作接面間高頻率的摩擦而使分子間急速產(chǎn)生熱量，當(dāng)此熱量足夠熔化工作時，停止超聲波發(fā)振，此時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頻率有20KHZ和15KHZ，其中20KHZ仍在人類聽覺之外，故稱為超聲波，但15KHZ仍在人類聽覺范圍只內(nèi)。
三：超聲波機構(gòu)原理：
    將220V，50HZ轉(zhuǎn)變?yōu)?5KHZ（或20KHZ）之高壓電能，利用震動子轉(zhuǎn)換成機械能。如此的機械振動，經(jīng)由傳動子，焊頭傳至加工物，并利用空氣壓力，產(chǎn)生工作接面之摩擦效果。振動子和傳動子裝置在振筒內(nèi)，外接焊頭，利用空壓系統(tǒng)和控制回路，在事先設(shè)定之條件下升降，以完成操作程序。
四：組件功用說明：
1.延遲時間設(shè)定：調(diào)整開始發(fā)振時間，在限制開關(guān)動作后0~9.99秒開始發(fā)振。
2.熔接時間設(shè)定：調(diào)整熔接時間長短，在延遲時間終了發(fā)振0~9.99秒之范圍。
3.硬化時間設(shè)定：調(diào)整發(fā)振終了工作物熔接處冷卻定型時間在0~9.99秒之范圍。
4.計數(shù)器：工作循環(huán)次數(shù)記錄用，附有歸零壓扣。
5.調(diào)整及壓力表：工作壓力之指示及調(diào)整壓力用。
6.聲波調(diào)整：調(diào)整振動子系與發(fā)振回路之共振匹配，使轉(zhuǎn)換效率達到理想。
7.振幅表：顯示聲波空載或負(fù)載工作之振幅強弱。
8.電源開關(guān)及燈：電源開關(guān)之控制，及指示開路之信號
9.選擇開關(guān)（自動/手動/聲波檢查）：自動或手動之選擇，及作聲波空載檢視之按紐。
10.聲波出力調(diào)整紐：聲波出力段數(shù)之設(shè)定用，1~2段為一般使用，3~4段為強力輸出用。
11.聲波過載燈：顯示聲波過載之不正常，需做聲波調(diào)整，至過載燈不會顯示為止。（若仍無法解除，請來電洽詢）
12.頻率指示：調(diào)試機器時做機器頻率顯示
13焊頭：傳動振動能量于工作物之上，使之熔接。
14上升/下降緩沖調(diào)整：調(diào)整孔位于機臺側(cè)面可適當(dāng)調(diào)整，使升降慣性適中。
15下降速度調(diào)整：調(diào)整合理適當(dāng)之下降工作速度用。
16熔接位置視窗：檢視正常熔接時焊頭壓附工作物之狀況。
17.最低點微調(diào)螺絲：在熔接熔化塊，或外形尺寸需精確時使用可限制汽缸之下降。
18水平微調(diào)螺絲：調(diào)整此四支螺絲，可使焊頭平均壓附在工作物上。
19輸出電纜及插座：聯(lián)接機體振動子系統(tǒng)與發(fā)振箱線路用。
20控制電纜及插座：聯(lián)接機體控制單元與發(fā)振箱自動控制回路用。
21接地螺母：電子回路之接地線連接用，漏電時之安全保障。
22保險絲座：電子線路之過載保護。
五：機器安裝法：
1.將發(fā)振箱放置于機體附近操作員易于觀察及調(diào)整之處。
2.接地：將地線一端接地，另一端接于發(fā)振箱后面之接地旋鈕。
3.發(fā)振箱與機體聯(lián)接：將機體之輸出電纜插頭及控制電纜插頭接于發(fā)振箱插座及機體插座上
4.接空壓源：將高壓氣壓管引清凈干燥之空壓源與熔接機體上空氣濾清器入口接頭以管束結(jié)合鎖緊。
5.接電源：發(fā)振箱后面之電源線及插頭，請接上AC220V，∮60/50HZ電源。
六：各部調(diào)整及熔接前準(zhǔn)備工作：
1.裝焊頭：
    （1）先將換能器（CONE）及焊頭（HORN）以及焊頭螺絲，以酒精或汽油擦洗干凈，再將焊頭螺絲及換能器，焊頭結(jié)合面抹上一層薄薄的黃油脂再將焊頭螺絲鎖于焊頭上。注意：換能器，焊頭之結(jié)合面若有損傷時，振動之傳達效率會遞減，應(yīng)謹(jǐn)保養(yǎng)。
    （2）再緊固4支焊頭水平調(diào)整螺絲，將換能器固定在其旋轉(zhuǎn)范圍之中間位置處。
    （3）把焊頭用手旋入換能器到不能回轉(zhuǎn)為止。
    （4）以焊頭鎖緊扳手焊頭旋緊（約300Kg/cm之扭力），此時特別注意不讓換能器旋轉(zhuǎn)，以防止轉(zhuǎn)梢扭斷。（若發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)則4支焊頭水平調(diào)整螺絲要再緊固些）。
2.焊頭調(diào)整：
    （1）調(diào)整準(zhǔn)備：
①打開氣壓源，并調(diào)整壓力至2kg/C㎡。
②打開發(fā)振箱上之總電源開關(guān)，此時電源指示燈亮。
    （2）焊頭方向調(diào)整：
①放松4支水平調(diào)整螺絲，將焊頭之方位與工作物對正，再按機體升降開關(guān)使焊頭壓附工作物。
    （3）焊頭水平調(diào)整：
輕拍焊頭四周，使焊頭與工作物吻合狀況后，平均固定4支水平調(diào)整螺絲。
    （4）焊頭高低位置調(diào)整：
①若工作物之熔接對于高低需準(zhǔn)備時，調(diào)整最低點微調(diào)螺絲頂于升降筒在熔接后最適當(dāng)位置。
    （5）熔接準(zhǔn)備：
①依工作物之狀況，設(shè)定出力段數(shù)于適當(dāng)位置。（應(yīng)從低段數(shù)試起以維壽命）再按聲波檢查開關(guān)，并轉(zhuǎn)聲波調(diào)整螺絲，使振幅表之指示在最低刻度為止。注意：按聲波檢查開關(guān)，應(yīng)按下三秒停止一秒間歇方式，以維護振動子壽命。
七：熔接操作：熔接延遲時間及硬化時間設(shè)定方法
一．面板按鍵說明：
    1．手動/自動：手動自動轉(zhuǎn)換。 2.聲波檢測：測試聲波是否正常。
    3. 1.00S：時間增加1秒。 4．0.10S：時間增加0.1秒。 　 
    5.0.01S:時間增加0.01秒。 6. 設(shè)定：設(shè)定延遲時間/熔接時間和硬化時間
    7．時間顯示：顯示全部時間時為自動待機狀態(tài)，數(shù)字全部顯示為“0”時機器處于手動狀態(tài)，數(shù)字為單組時間顯示另兩組不顯示時為設(shè)定狀態(tài)。（每三個數(shù)字（8.88）為一組時間，共三組時間）
二．時間設(shè)定方法：
1．按“設(shè)定”鈕，延遲時間與熔接時間變暗不顯示，硬化時間處于設(shè)定狀態(tài)。此時可通過時間設(shè)定鍵增加相應(yīng)的時間（例：按1.00S鍵及增加1秒，依次類推按0.10S及增加0.1秒，按0.01S增加0.01秒）。時間為循環(huán)式設(shè)定，及相應(yīng)的時間到“9”以后在增加時間及又從“0”開始。（例：時間顯示為9.99時，按1.00S鍵后時間即變?yōu)?.99。）
2.延遲時間和硬化時間與熔接時間調(diào)整方法相同。按設(shè)定鍵一次為硬化時間設(shè)定，再按一次為熔接時間設(shè)定，再按一次為延遲時間設(shè)定。再按一次及回到工作狀態(tài)。（三組時間中單一顯示的一組時間及為正在設(shè)定的時間。 ）
3.完成上述之各部調(diào)整及熔接前準(zhǔn)備后，按手動/自動按鈕，使機器處與自動狀態(tài)。（三組時間均顯示為正常的預(yù)設(shè)時間）
4.熔接按鈕試熔接，熔接機即可自動熔接工作一次。
5.視察熔接工作狀況及熔接后工作物形態(tài)，再調(diào)整焊頭，并重新設(shè)定工作條件，再試熔，重復(fù)調(diào)整至工作物理想熔接條件。（延遲時間、硬化時間之設(shè)定，從較長時間遞減設(shè)定至理想條件，聲波出力及熔接時間之設(shè)定，則需由小而大漸增方式設(shè)定，以維護振動子之壽命。）
4.設(shè)定至理想熔接條件后。即可從事作業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)前，首先將計數(shù)器歸零，及做聲波檢查，并清除工作機上不必要之物品，再行作業(yè)。
八：熔接動作說明：
1.焊頭下降：在發(fā)振箱導(dǎo)入電源及氣壓源接通后，按下熔接按鈕（WELD），焊頭即下降。
2.延遲時間：焊頭下降至限制開關(guān)動作之同時，延遲時間計時器即開始計時。
3.熔接時間：延遲時間計時終了之同時，熔接時間計時器即開始計時，振動子同時發(fā)振熔接。
4.硬化時間：熔接時間計時終了之同時，硬化時間計時器即開始計時。
5.焊頭上升：硬化時間計時終了，焊頭隨之上升，計數(shù)器即累計一次，完成一次循環(huán)動作。
九：注意事項：
1.本機請勿置于潮濕或多塵及過熱之場所，機器上方勿放置流體物，平時注意整潔，隨時擦拭，但不可使用液體清洗。
2.人體請勿重壓于發(fā)振之焊頭，以免灼傷，自動操作中遇危險請按緊急按鈕（EMERGENCY STOP）。
3.非本公司設(shè)計之焊頭請勿使用在本機臺上。
4.聲波檢查在無負(fù)荷時，振幅表勿超過1A，超過1A時請調(diào)整聲波調(diào)整螺絲，若經(jīng)調(diào)整仍不能降至1A以下，則可能焊頭或機臺有異常，請聯(lián)絡(luò)本公司處理。
5.按聲波檢查開關(guān)以間歇方式按下，勿連續(xù)按超過三秒以維護振動子壽命。
6.在操作時（有負(fù)荷狀態(tài)），振動表勿超過紅色區(qū)（在標(biāo)準(zhǔn)型熔接機時）若指示超過時，以降低壓力，減少出力段數(shù)，及調(diào)整聲波調(diào)整之，若經(jīng)過調(diào)整，仍不能降下時，請聯(lián)絡(luò)本公司處理。
7.本機之振動子及發(fā)振機內(nèi)有高壓線路，除了外部作業(yè)之調(diào)整外，使用客戶請勿做機內(nèi)之修護。
8.焊頭本身是依熔接物來決定，且必須配合振動系統(tǒng)之共振，所以焊頭應(yīng)使用本公司設(shè)計制造之產(chǎn)品，以免損害振動系統(tǒng)。
9.空壓源注意清潔，本機之空氣濾清器（AIR FILTER）內(nèi)若有滯留1/2的水請隨時排除，如水分過多時則須時常清理空壓機之水分。
10.接地線需接地，且不可接于供電源之地線上，以防止高壓漏電。
11.振動子及換能器不可做超過360°之旋轉(zhuǎn)，以免扭斷高壓線。
十：熔接機保養(yǎng)與維護：
1.焊頭、底模及工作物常保持清潔。
2.定期檢查電纜接頭是否松動。
3.定期清洗空氣濾清器，應(yīng)使用清潔劑或水，不可使用揮發(fā)性之溶劑。
4.機械定期擦拭，但不可使用液體清洗，發(fā)振箱上方勿重壓或放置流體物。
5.工作場所保持空氣暢通，周圍溫度不可過高。（40℃以下）。
6.搬運機器時，發(fā)振箱應(yīng)與機體分離（拆開電纜插座），搬運須小心，勿受撞擊。
7.長時間不使用時，請將本機外觀擦拭，上油保養(yǎng)，置于干燥通風(fēng)場所。
8.每月應(yīng)打開控制箱上蓋，用干凈不帶水分空氣槍，清除箱內(nèi)粉塵，以保持零件散熱通風(fēng)之良好。
十一：不良動作之對策：
狀況 原因 對策
按下熔接按鈕，焊頭隨即下降碰到加工物未發(fā)振即上升。 ①下降沖程未到熔接位置。
②極限開關(guān)不良。 ①轉(zhuǎn)升降手輪使熔接位置視窗線對正在升降筒熔接位置。
②調(diào)整其動作位置或換修。
操作中過負(fù)載燈亮。 ①焊頭松動。
②調(diào)波不當(dāng)。
③焊頭破裂。 ①鎖緊焊頭。
②重新調(diào)整聲波。
③換修。
按下熔接按鈕焊頭隨之下降，但熔接后不上升。 ①氣壓不夠。
②控制電路不良。 ①調(diào)整空氣壓力。
②換修時控板。
電源指示燈不亮，發(fā)振箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)弱，不能發(fā)振或焊接強度轉(zhuǎn)弱。 ①電源電壓不足。
②電路短路保險絲熔斷。
③電源插座接觸不良。 ①改換較穩(wěn)定之電源。
②換保險絲。
③換修。
空氣壓力、電源、焊頭均正常但無法操作。 ①緊急上升按鈕接觸不良。
②控制電路不良。 ①檢查或換修。
②換修。
焊頭上升或下降沖擊太大 ①緩沖調(diào)整不合適。
②緩沖調(diào)整鎖死。
③下降速度設(shè)定太高。 ①重新調(diào)整緩沖。
②檢查并做調(diào)整。
③調(diào)整下降速度調(diào)整鈕。
熔接過熔 ①過熔后工作物之外型尺寸不一。
②工作物外表損傷太多。 ①調(diào)整最低點微調(diào)螺絲。
②換裝合適振幅之焊頭。
③熔接時間太長欲縮短。
打開電源總開關(guān)，保險絲即熔斷。 ①發(fā)振箱本體故障。 ①換修。
十二：熔接狀況處理：
現(xiàn)象 原因 解決辦法
熔接過度 輸入工作的能量過多 1.降低使用壓力
2.減少熔接時間
3.降低振幅段數(shù)
4.減緩焊頭之下降速度
熔接不足 輸入工作的能量太少 1.增加使用壓力
2.加長熔接時間
3.增加振幅段數(shù)
4.使用較大功率之機型
5.冶具消耗能量、更換冶具。
熔接不均 工件扭曲變形 1.檢視工件尺寸是否差異。
2.檢視操作條件是否造成工作物變形。
3.調(diào)整緩沖速度或壓力。
焊頭、底座、工件之接觸面不平貼 1.守能點重新設(shè)計，使高度均一。
2.調(diào)整水平螺絲。
3.檢視造作條件是否確實。
4.檢視工件尺寸之形狀尺寸。
側(cè)面彎曲 工件加肋骨。
修改冶具，避免工件向外彎曲。
底座支撐不確實 1.在必要處，改善支撐點。
2.底座重新設(shè)計。
3.換成硬質(zhì)底座。
4.若大面積之電木板發(fā)生傾斜則需補強。
工件誤差太大 縮緊工件之公差。
重新修改工件尺寸。
檢視操作條件（壓力、延遲計時、熔接計時、固化計時等）
現(xiàn)象 原因 解決辦法
熔接不均 工件對準(zhǔn)性不當(dāng) 1.檢視熔接時，工件是否偏移。
2.檢視組合時，工件是否對準(zhǔn)。
3.檢視焊頭、工件、冶具之平行度。
接合面缺乏緊密接觸 1.檢視工件尺寸。
2.檢視工件之公差。
3.檢視接合面之頂針位置。
4.檢視工件組合之對準(zhǔn)性。
5.檢視工件是否凹陷。
焊頭接觸不均 1.檢視工件與焊頭之貼合度。
2.檢視冶具的支撐是否適當(dāng)。
脫模劑 1.用FreonTF清除接合面。
2.如果脫模劑不可避免，請使用可印式或可漆式之等級。
填加物 1.檢討工件條件。
2.降低填加物之比例。
熔接結(jié)果不一致
脫模劑 1.用FreonTF清潔接合面。
2.如果脫模劑不可避免，請使用可印式或可漆式之等級。
工件之公差太大 1.縮緊工件之公差。
2.檢視工件之尺寸。
3.檢查操作條件。
射出模與模間之變化 1.采取某一特定射出模之工件熔接統(tǒng)計是否改善。
2.檢視工件之公差及尺寸。
3.檢視模具是否磨損。
4.檢查操作條件。
使用次料或次級塑膜 1.與射出廠檢查料質(zhì)。
2.檢討操作條件。
3.降低次料比例
4.改進次料品質(zhì)
電源電壓發(fā)生變化 使用電源穩(wěn)壓器
氣源壓力降落 1.提升氣源輸出壓力
2.裝置加壓筒
現(xiàn)象 原因 解決辦法
熔接結(jié)果不一致 填加物比例太高 1.降低填加物。
2.檢查操作條件。
3.變更填加物種類，亦即將短線錐改成長線錐。
填加物分布不均 1.檢查操作條件
2.檢查模具設(shè)計
材料品質(zhì)較差 檢查操作條件
工件貼合度不佳 1.檢視工件尺寸。
2.檢視工件公差。
3.檢查操作條件。
使用熔合性不良之材質(zhì) 參考塑膜熔合性表與原料供應(yīng)商檢查
使用次料 1.與射出廠檢查材料。
2.檢查操作條件。
表面?zhèn)��?焊頭溫度升高 1.檢查焊頭螺絲是否松動。
2.檢查焊頭工具是否松動。
3.減短熔接時間。
4.使焊頭散熱冷卻。
5.檢視焊頭與傳動子之接面。
6.檢視焊頭是否斷裂。
7.如果焊頭是鈦材，換為鋁料。
8.如果焊頭是銅材，則降低放大倍數(shù)。
工件局部碰傷 1.檢視工件尺寸。
2.檢視工件與焊頭之貼合度。
工件與冶具貼合不當(dāng) 1.檢視支撐是否適當(dāng)。
2.重新設(shè)計冶具。
3.檢視模與模門工件之變化。
表面?zhèn)��?氧化鋁
（來自焊頭） 1.焊頭作硬鉻處理。
2.使用防熱塑膜模（袋）。
現(xiàn)象 原因 解決辦法