超聲波模具的設計與制作

當使用一個(gè)加工不當或是未經(jīng)過(guò)調諧的焊頭，將給你的生產(chǎn)帶來(lái)昂貴的損失——它會(huì )破壞焊接效果，更嚴重的會(huì )直接導致?lián)Q能器或發(fā)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(jiǎn)單，相反，需要很多的專(zhuān)業(yè)知識和技能，那么如何保證焊頭能夠最經(jīng)濟地工作呢？如何保證焊頭能夠將換能器轉換的機械振動(dòng)能有效地傳遞到工件上形成持續穩定的焊接呢？

一、模具的振幅參數

振幅，對于需要焊接的材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵參數，相當于鉻鐵的溫度，溫度達不到，就會(huì )熔接不上；溫度過(guò)高，就會(huì )使原材料燒焦或導致結構破壞而強度變差。因為每一間公司選擇的換能器不同，換能器輸出的振幅都有所不同，經(jīng)過(guò)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(guān)。以形狀來(lái)說(shuō)，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。若貴公司選用的是不同公司品牌的焊接機，最簡(jiǎn)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。

二、模具頻率參數

任何公司的超聲波焊接機都有一個(gè)中心頻率，例如20KHz、40KHz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(fā)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(tài)，每一個(gè)部分都設計成一個(gè)半波長(cháng)的諧振體。發(fā)生器及機械共振頻率都有一個(gè)諧振工作范圍，如一般設定為±0.5KHz，在此范圍內，焊接機基本都能正常工作。我們制作每一個(gè)焊頭時(shí)，都會(huì )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0.1KHZ，如，20KHz焊頭，我們焊頭的頻率會(huì )控制在19.90-20.10KHz，誤差為5‰。

三、振動(dòng)節點(diǎn)

焊頭、變幅桿，均被設計為一個(gè)工作頻率的半波長(cháng)諧振體。在工作狀態(tài)下，兩個(gè)端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節點(diǎn)振幅為零，應力最大。節點(diǎn)位置一般設計為固定位，但通常的固定位設計時(shí)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(huì )引致一些叫聲和一部分的能量損失，對于叫聲，通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進(jìn)行屏蔽；能量損失在設計振幅參數時(shí)予以考慮。

四、加工精度

超聲波焊頭，因為工作于高頻振動(dòng)情況下，應盡量保持一個(gè)對稱(chēng)設計，以避免聲波傳遞的不對稱(chēng)性導致的不均衡應力及橫向振動(dòng)（我們所用于焊接的焊頭，利用的是超聲波振動(dòng)的縱向傳遞，對于整個(gè)諧振系統而言），不均衡振動(dòng)能導致焊頭發(fā)熱及斷裂。

超聲波焊接應用于不同行業(yè)，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(lái)的精度符合要求。

五、模具使用壽命

一只焊頭的使用壽命，關(guān)鍵決定于兩個(gè)方面：一、材料，二、工藝。

超聲波焊接要求金屬材料有柔順性（聲波傳遞過(guò)程中機械損耗?。┖玫奶攸c(diǎn)，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與熔接產(chǎn)品效果的主要原因之一。模具完成的過(guò)程是復雜的，所以，不僅是模具工程師設計務(wù)必慎重選擇材質(zhì)，亦需了解本身產(chǎn)品要求該使用何種材質(zhì)，避免因疏忽而影響其時(shí)效與品質(zhì)。現將目前各種材料的特性略述如下（某公司均采用世界名牌美國ALCOL公司產(chǎn)品，該公司的7075T651鋁材達到美國鋁業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì )AAA標準）：

1.鋁鎂合金（7075T651，2024T651，6061T651）

（1）7075T651：使用于振動(dòng)系統及焊頭制造，該材料具有極高的機械屈服強度，硬度高，熱傳導性強，是理想的超聲波模具制造材料；

（2）2024T651：一般使用與焊頭制造，韌性佳，熱傳導性強，硬度適中，用于一般塑膠制品；

（3）6061T651：使用于較低出力之焊頭制造，韌性佳，質(zhì)較軟。

2.鈦合金

用于連續發(fā)振的機種，韌性較高，熱傳導佳，硬度高，而成本昂貴。

3.國產(chǎn)硬質(zhì)鋁合金

國產(chǎn)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。

超聲波模具，是超聲波技術(shù)中最具有技術(shù)深度的一個(gè)方面。即使已經(jīng)擁有幾年的設計和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，我們還是堅信，只有通過(guò)嚴格的測試和質(zhì)量控制，才能生產(chǎn)出最好的焊頭。我們的工程師將焊頭的聲學(xué)特性和機械特性完美地結合起來(lái)，設計出最符合客戶(hù)需要的產(chǎn)品。我們生產(chǎn)的每一套焊頭和模具，不管是標準產(chǎn)品，還是根據客戶(hù)要求定制的，都是用最好的材料制成的，同時(shí)經(jīng)過(guò)反復的測試。焊頭的外形、強度以及音頻等各種參數經(jīng)過(guò)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。