超声波焊接设备：优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：表2-5-18是国产塑料超声波焊机的型号及其技术参数，表2-5-19是国产金属超声波焊机的型号及其技术参数。

1.焊机型号及主要指标

超声波焊机根据能够焊接的接头形式可分为点焊机、缝焊机、环焊机和线焊机，但焊机的组成基本相同，主要包括超声波发生器、声学系统、加压机构、程控装置四大部分和附属部分（水冷系统、缝焊时的传动及变速机构等）。典型的焊机结构如图2-5-49所示，焊接设备外观如图2-5-50所示。表2-5-18是国产塑料超声波焊机的型号及其技术参数，表2-5-19是国产金属超声波焊机的型号及其技术参数。

2.超声波焊接设备构成及功能

（1）超声波发生器超声波发生器用来将工频（50Hz）电流变换成超声频率（15～60kHz）的振荡电流，并通过输出变压器与换能器相匹配。

图2-5-49 超声波点焊机的典型结构

A—超声波发生器 B—声学系统 C—加压机构 D—控制装置

1—超声波发生器 2—换能器 3—传振杆 4—聚能器 5—耦合杆 6—上声极 7—工件 8—下声极 9—电磁加压装置 10—控制加压电源 11—程控器 12—电源

图2-5-50 典型的超声波焊接设备

a）微型超声波焊机 b）计算机辅助超声波焊机 c）超声波焊接生产线

表2-5-18 国产塑料超声波焊机的型号及其技术参数

表2-5-19 国产金属超声波焊机的型号及其技术参数

发生器有电子管放大式、晶体管放大式、晶闸管逆变式及晶体管逆变式等多种电路形式。其中电子管式性能稳定可靠，功率较大，但效率低，仅为30%～45%，已经逐步被晶体管放大式所代替。晶体管逆变式超声波发生器采用了大功率的CMOS器件和微型计算机控制，体积小、可靠性高和控制灵活。

超声波发生器必须与声学系统相匹配，才能使系统处于最佳状态，获得高效率的输出功率。由于超声波焊接时机械负载往往有很大变化，换能元件的发热也容易引起材料物理性能的变化，换能器的温度波动，容易引起谐振频率的变化，从而影响焊接质量。因此，在超声波发生器作为焊接应用时，频率的自动跟踪是一个必备的功能，利用取自负载的反馈信号，构成发生器的自激状态，以确保自动跟踪和最优的负载匹配。有些发生器还装有恒幅控制器，以确保声学系统的机械振幅保持恒定。最近几年出现的晶体管逆变式发生器使超声波发生器的效率提高到95%以上，而设备的体积大幅度减小。

（2）声学系统声学系统由换能器、传振杆、聚能器、耦合杆和声极组成。

1）换能器：换能器的作用是将超声波发生器的电磁振荡（电磁能）转变成相同频率的机械振动（机械能），它是焊机的机械振动源。常用的换能器有压电式及磁致伸缩式两种。

石英、锆酸铅、锆钛酸铅等压电晶体，在一定的结晶面受到压力或拉力时将会出现电荷，称为压电效应；当在压电轴方向馈入交变电场时，晶体就会沿着一定方向发生同步的伸缩现象，即逆压电效应。超声波换能器就是利用压电晶片的逆压电效应制成的，其主要优点是效率高和使用方便，一般效率可达80%～90%。压电换能器的缺点是比较脆弱，使用寿命较短。

磁致伸缩换能器是利用镍或铁、铝合金等材料的磁致伸缩效应而工作的器件，它虽然工作稳定可靠，但由于效率仅为20%～40%，目前已被压电式换能器所取代。

2）传振杆：超声波焊的传振杆是与压电式换能器配套的声学器件，一般由45钢、30CrMnSi低合金或超硬铝合金制成，主要用来调整输出负载、固定系统以及方便实际使用。传振杆通常选择放大倍数为0.8、1、1.25等几种半波长阶梯型杆。

3）聚能器：聚能器又称变幅杆，其作用是将换能器所转换成的高频弹性振动能量传递给焊件，以便调节换能器和负载的参数。此外，在声学系统中还具有放大换能器的输出振幅和集中能量的作用。

在设计聚能器时，主要应使其谐振频率等于换能器的振动频率，并在结构上考虑合适的放大倍数、低的传动损耗以及自身具备足够的强度。图2-5-51是聚能器的结构形式，阶梯形的聚能器放大系数最大，而且加工方便，但其共振范围小，断面的突变处应力集中大，只能适用于小功率焊机。圆锥形聚能器有较宽的共振频率范围，但放大系数最小。指数形聚能器的放大系数小，强度大，加工简单，在超声波焊机中得到广泛应用。

图2-5-51 聚能器的结构形式

a）圆锥形 b）指数形 c）阶梯形

聚能器工作在疲劳条件下，设计时应重点考虑结构的强度，特别应注意声学系统各个组元的连接部位。用来制造聚能器的材料应有高的疲劳强度及小的振动损耗，目前常用的材料有45钢、30CrMnSi低合金钢、高速钢、超硬铝合金及钛合金等。

4）耦合杆：耦合杆用于振动能量的传输及耦合，将聚能器输出的纵向振动改变为弯曲振动。耦合杆在结构上非常简单，通常都是一个圆柱杆，但其工作状态较为复杂，设计时除了根据谐振条件来设计耦合杆的自振频率外，还可以通过波长数的选择来调整振动振幅的分布，以获得最优的工艺效果。材料选择上应与制造聚能器的材料相同，两者用钎焊的方法连接起来。

5）声极：声极是直接与工件接触的部件，分为上声极和下声极。声极的结构与焊机类型有关，对于超声波点焊机来说，可以用各种形式的声极与聚能器或耦合杆相连接；缝焊机的上、下声极应设计成一对滚盘；塑料用焊机的上声极，其形状可根据零件的形状而改变。但是，无论是哪一种声极，在设计中的基本问题仍然是自振频率的设计。

通用超声波点焊机的上声极是一个简单的球面，其曲率半径约为可焊工件厚度的50～100倍。例如，对于可焊1mm工件的焊机，其上声极端面的曲率半径可选75mm。缝焊机的滚盘按其工作状态进行设计，选择弯曲振动状态时，滚盘的自振频率应设计成与聚能器频率一致。

与上声极相反，下声极在设计时应选择反谐振状态，从而使谐振能可以在下声极表面反射，以减少能量的损失。有时为了简化设计或受工件条件限制也可选择大质量的下声极。

（3）加压机构加压是形成焊接接头的必要条件，目前常用的加压方式主要有液压、气压、电磁加压及自重加压等。其中液压方式冲击力小、主要用于大功率焊机，小功率焊机多采用电磁加压或自重加压方式，这种方式可以匹配较快的控制程序。实际中的加压机构还可能包括工件的夹持机构，如图2-5-52所示。

图2-5-52 工件夹持结构

1—声学头 2—夹紧头 3—丝（焊件之一） 4—工件 5—下声极

（4）程控装置超声波焊机的程控装置（也称焊接控制系统）主要是实现超声波的焊接过程控制，如加压及压力大小控制、焊接时间控制、维持压力的时间控制等。目前的焊接程控装置多采用微计算机或工控机进行控制。

超声波焊接设备：优化方案

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