超声波塑料焊接机原理

前 言

　　随着塑料及复合材料的广泛应用.人们越来越关心它们的拼接问题 。 就结合表面加热方法而言,超声波焊接的强度是最高的也是最灵活的。焊接质量的好坏不仅与功率、超声发生器特性、超声波焊接工艺参数有关·而且还与加压系统的特性有关设计一套性能良好的气动加压系统是实现良好焊接所必需的 。

1.   超声波塑料焊接机结构

　　一般地讲,超声波塑料焊接机由三大部分组成:超声波发生器、声学系统和加压系统。超声波发生器主要是将50Hz的工频电转换成超声频的交流用以激励声学系统;声学系统将电能转化为声能.进而转化成热能.使塑料件在接合处熔于一体,如图l所示。

2   超声波焊接工艺对加压系统的要求

2.1   压力的作用.

　　　由上所述，加压是超声波塑料焊接不可缺少的条件 。在焊接过程中,压力的作用可以归结为以下几点:

(1)使焊头和工件贴合紧密，令声学系统中的超声振动能有效地传给工件。

(2)使塑料焊件界面紧密贴合，工件间的摩擦才能转化为热能 。

(3）当界面熔化形成接头时,压力的作用有利于塑料内部有机分子链的形成。

(4)在按头凝固过程中，压力的作用相当于对焊件的拘束.如果焊后就松压.焊件易于回弹开裂。

(5)压力最终影响焊接强度,因为它不仅影响上述几个方面,同时也影响焊机输出功率,- 般地讲.焊接压力增加,,得机输出功率增加。

由此可见.良好加压系统是超声波焊接机系统中必需的。是保证得接质量的重要前提 。

2. 2   焊接工艺对加压系统的要求

(1)稳定性   

　　焊接压力对超声焊接质量有较大影响。就超声波焊接而言,接头质量与输入到焊件中的能量是密切相关的，这个能量可表达为:能量=振幅 x压力 x时间。 所以压力的波动会造成焊接质量的不稳定,如果焊机采用变幅杆比較大的声学系统,则焊接质量对压力的波动更为敏感 。所以焊接工艺要求气动系统的工作稳定性。

(2)气缸活塞运动速度可调   

　　为了实现焊接，气缸活塞带动声学系统上下运动。就焊接工艺而言.上下两种运动速度是不同的。由于工件种类、尺寸的不同，焊接压力的建立也要做相应变化。对于特定工件，压力建立太慢.效率较低;而压力建立太快又会造成,溶体塑性形变太快. 导致材料分子喷溅到界面。因而要求下降速度要可调， 同时为提高焊接效率、减少空耗时间. 声学系统提起活塞时尽量短些.由于回抽速度对质量无影响·所以可维持一定的较快速度，来保证焊接效率。

(3)声学系统的运行及导向机构

　　对声学系统导向运行机构有如下要求:1平滑、摩擦阻力小; 2运行方向垂直于底座面 。因为滑道的摩擦、滞性会带来运行的不平稳,压力建立速度及压力值的不稳，从而造成焊接质量的不稳 。同时声学系统的运行方向与底座平面的垂直与否对焊接质量也有较大的影响。它直接决定焊件是否对称均匀熔化,同时也影响声学系统的特性, 对超声波焊接机的要求增加 。 若焊头端面与底座平面不平行，则在焊接压力建立的过程中,两焊件接触程度在界面分布上不均.从而造成界面·略化不均.最终影响焊后工件的整体结构尺寸。

3   气路系统设计

3.1   气动系统的设计

　　为保证焊接质量，提高焊接效率·设计的气动系统如图2所示

超声波塑料焊接机气动原理图

　　　其工作原理是:气源给气后，在五通电磁阀不动作时.压缩空气由气源出来经过空气过滤器、减压阀、五通阀、由下路遊入气缸左端使气缸活塞回缩.处于待焊状态，待焊接过程开始后，气阀可动作，气体由上路进入，气缸右端迫使气缸活塞杆伸出.带动声学系统下降·焊头接触并压紧焊接件、压力不断建立.直至压力检测开关动作，焊接开始。活塞杆运行速度由节流阀决定。由于该节流阀采用单向节流.活塞杆回缩不节流.运行速度較大.从而减少了空耗时间。

3.2   压力检测开关

　　压力检测开关的作用是当预定的压力达到后，启动超声波焊接信号。由于起振压力的大小对焊接质量及声学系统特性均有影响，所以对量压 力信号的提取較为严格。从国外如瑞士超声波焊接机来看,一般采用压力传感器.这种方式压力信号是較为精确的，但电路复杂、价格昂贵，本文在满足焊接要求的情况下.利用普通压力表实现了起振压力的无级调节控制，处理简単.而且价格便宜，实际工作运行相当可靠且旦满足精度要求。   

3. 3   元件选择及设计装配

(1 )汽缸   来用双向差动汽缸，这种汽缸的选择可参考下列公式：

其中D为汽缸内径;f为活塞杆上输出压力:P为气源压力,很据实际焊接压力一般为几十到上百公斤，经一系列的校核计算.本文采用日本SMC公司的167系列汽缸，其参数如下:最大压力10.00bar:冲程100mm:汽缸内径63mm.

(2)减压阀   

　　它是气压系统中的关键.直接影明到焊接压力的建立特性，从而影响焊接质量，所以它的选择尤为重要。同时在其应用过程中要特別注意·在有空气生埃的地方·于减压阀前一般要加过滤器;接管时.管内一定要注意清理掉铁屑及其它污物.以免影响减压问正常工作:在选用时·要选择调节范围稍高于实际使用范围。

(3)单向节流阀   

　　对于节流调速方式大致分西种·即进气节流、出气节流 。一般地讲，出气节流要好于进气节流。因为前者可使汽缸活塞形成平稳压差.而使活塞运行平稳 。如采用进气节流，由于进出气不平穂·因而可产生忽快忽慢忽走忽停的气缸爬行现象 ,但由于超声波焊接本身的特点決定需有一起振压力， 如果节流设置在后.则气缸右端一下达到焊接压力，尽管压力也是从零增至焊接压力，但起振压力检测传感处理較为困难，因为此时的实际工作压力为活塞两端压力差。所以本文采用进气节流.直接检测汽缸右端压力以决定焊接开始与否。为消除爬行现象，应尽量减小声学系的运动轨道的摩按阻力，并力求气缸安装正确活塞不受偏载。

3.4   导向运行机构

　　由于超声波塑料焊接工艺的特点,仅要求焊接头在汽缸活塞带动下进行上下运动,所以其运动副为滑动副即可。对子滑动导軌.其优点点是机械结构简单、设计容易且刚性更大， 气动驱动滑軌的主要问题是摩擦，所以导轨的设计准则是:減小摩擦、增加钢性强度。_对于立式加压常用的有:燕尾型及圆筒型等·如国3所示:

　对于图3b所示的结构·采用两个圆筒状的棒作为导向杆,由于在工作台上加工两个具有同样间隙的孔，而且要保证平行度,看起来简单，但往往不容易 。美国 Branson公司的早期焊机采用的就是这种结构。就刚度而言，这种结构不如燕尾型。目前瑞士等国焊机采用燕尾型 。综合上面的分析，本文声学系统运行导向机构采用燕尾型·同时为减小庫擦力·在燕尾顶尖处加滚动轴承。

4　工艺实验

　　配以本文研制的UPW- I型功率超声波发生器.利用上述气动加压系统对 PMMA、ABS、素碳酸脂等材料进行了平面焊接，工况与工艺参数见下表 。

对焊接后工件进行检验.焊接质量良好。

5   结     论

　本文设计的这套气路系统在实际运行中可靠，満足了焊接工艺对气动加压系统的要求。恒波超声波塑料焊接机就是采用上述结构。