超聲波模具的設計與制作

超聲波模具的設計與制作

可能有人經常會有這樣的想法：超聲波模具的設計和生產一定是非常的簡單。千萬不要被誤導，當使用一個加工不當或是未經過調諧的焊頭，將給你的生產帶來昂貴的損失，它會破壞焊接效果，甚至更嚴重的會直接導致換能器或發生器的損壞,因此超聲波模具的設計絕不像它的外形那樣簡單，相反需要很多的專業知識和技能。

如何保證焊頭能夠最經濟的工作？為了保證焊頭能夠將換能器轉換的機械振動能有效地傳遞到工件上，形成持續穩定的焊接，我們的工程師將每一個環節都考慮得非常充分。

超聲波模具是超聲波技術中最具有技術深度的一個方面。即使已經擁有幾年的設計和開發經驗，我們還是堅信只有通過嚴格的測試和質量控制才能生產出最好的焊頭。我們的工程師將焊頭的聲學特性和機械特性完美的結合起來，設計出最符合客戶需要的產品。 我們生產的每一套焊頭和模具，不管是標準產品還是根據客戶要求定制的，都是用最好的材料制成的同時經過反復的測試。焊頭的外形、強度以及音頻等各種參數經過多次試驗，能符合最為嚴格的標準，焊頭和模具達到最完美的匹配。

1、模具的振幅參數：

振幅對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數，相當于鉻鐵的溫度，溫度達不到就會熔接不上，溫度過高就會使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。因為每一家公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經過適配不同變比的變幅桿及焊頭，能夠校正焊頭的工作振幅以符合要求，通常換能器的輸出振幅為10-20μm，而工作振幅一般為30μm左右，變幅桿及焊頭的變比同變幅桿及焊頭的形狀，前后面積比等因素有關，形狀來說如指數型變幅、函數型變幅、階梯型變幅等，對變比影響很大，前后面積比與總變比成正比。貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機，最簡單的方法是按已工作的焊頭的比例尺寸制作，能保證振幅參數的穩定。

2、模具頻率參數：

任何公司的超聲波焊接機都有一個中心頻率，例如20KHz、40 KHz等，焊接機的工作頻率主要由換能器（Transducer）、變幅桿（Booster）、和焊頭（Horn）的機械共振頻率所決定，發生器的頻率根據機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態，每一個部份都設計成一個半波長的諧振體。發生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，一般設定為0.5 KHz，在此范圍內焊接機基本都能正常工作.我們制作每一個焊頭時，都會對諧振頻率作調整，要求做到諧振頻率與設計頻率誤差小于0.1 KHZ，如20KHz 焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.90-20.10 KHz，誤差為5%。  

3、振動節點焊頭、變幅桿：

均被設計為一個工作頻率的半波長諧振體，在工作狀態下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節點振幅為零，應力最大。節點位置一般設計為固定位，但通常的固定位設計時厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以固定位并不是一定為零振幅，這樣就會引致一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲通常用橡膠圈同其他部件隔離，或采用隔聲材料進行屏蔽，能量損失在設計振幅參數時予以考慮。

4、超聲波焊頭加工精度：

因為工作于高頻振動情況下，應盡量保持一個對稱設計，以避免聲波傳遞的不對稱性導致的不均衡應力及橫向振動（我們所用于焊接的焊頭利用的是超聲波振動的縱向傳遞，對于整個諧振系統而言），不均衡振動能導致焊頭發熱及斷裂。超聲波焊接應用于不同行業對加工精度要求是不同的，對于特別薄的工件如鋰離子電池極片與極耳的焊接、金箔等的包覆等對加工精度的要求非常高，我們所有的加工設備均采用數控設備（如加工中心等），這樣才能保證加工出來的精度符合要求。

5、影響模具使用壽命因素：

一、焊頭材料；

二、工藝材料方面：超聲波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過程中機械損耗?。┖玫奶攸c，所以最常用的材料為鋁合金及鈦合金, 材料是保證超聲波模具壽命于熔接產品效果的主要原因之一，模具完成的過程是復雜的。所以不僅是模具工程師設計務必慎重選擇材質，亦需了解本身產品要求該使用何種材質，避免因疏忽而影響其時效與質量。

將目前各種材料的特性略述如下：

一、鋁鎂合金(7075-T651,2024-T651,6061-T651) 1、7075T651：使用于振動系統及Horn制造，該材料具有極高的機械屈服強度，硬度高，超聲波熱傳導性強，是理想的超聲波模具制造材料；

1. 2024T651：一般使用與HORN制造，軔性佳，熱傳導性強，硬度適中，用于一般塑料制品。

2. 6061T651：使用于較低出力之HORN制造，軔性佳，質較軟。

二、 鈦合金：用于連續發振的機種，軔性較高，熱傳導佳，硬度高，而成本昂貴。

三、 國產硬質鋁合金：國產料，用于普通鋁材加工，熱傳導低，對超音波機械損耗高，成本低。

解析：

我們欲求產品達到水、氣密的功能時，定位與超音波導熔線是成敗的重要關鍵，所以在產品設計時的考慮，如：定位、材質、肉厚，與超音波導熔線的對應比例有絕對的關系。在一般水、氣密的要求，導熔線高度應在0.5~0.8m/m 之范圍（視產品肉厚而定），如低于0.5m/m以下，要達到水氣密的功能，除非定位設定要非常標準，而且肉厚有5 m/m 以上，否則效果不佳。一般要求水氣密的產品其定位與超音波導熔線的方式如下：

以上三種為水氣密超聲波導熔線設計法。

生產一套超聲波模具，要考慮以下各項因素：

１、 產品的要求： 決定超聲波模具的使用壽命，磨損率，因而決定采用何種金屬。

２、 產品的形狀： 采用何種熔接工藝，設定超聲波模具的大小，壓力傳達區，產品在熔合時可能產生的變形，需要多大功率和何種功能。是否可以一次熔接 完成工作。

３、 產品的塑料性質：決定模具的工作震幅，那一件工作應接受超聲能量，導能線的形式，位置，大小。在不同的塑料組合時，應怎樣設計接觸位？

４、 優質的售后服務

成功的熔接，取決于下列因素：

1） 產 品 形 狀：不同的形狀，壁厚，塑膠材料，決定了所需要的超聲波熔接機功率大小和特質。

2） 接口位的設計：一般均由超聲波機供應商提供建議。要達到最佳效果，須依據不同的熔接要求，壁厚，塑料，而采用專業的設計，尤其是在注塑模開拓階段至為重要。注塑模在多次改動后必令注塑模的壽命降低和產生變形和毛刺，損失不菲。優秀的供應商 可預見塑件熔接時出現的困難和解決方法。能提供優良的設計可助你得到最佳效果，節省了更改注塑模的時間和相關的費用。

3）優質的超聲波熔接機：（工欲善其事 必先利其器）優質的機器 表示該機已經設計成熟，性能穩定和耐用，有標準化的零件和多年后仍可補充優質的零件。

4） 能充分發揮熔接效益的模具：優良模具能提升熔接效益，以小機器做大事情。反之可令設備損壞引致經濟損失。 我們的工程人員會將一切問題考慮的完美，為你提供優質高效的產品