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超音波焊头三要素:频率、振幅、振态

发布者:嘉能超音波  发布时间:2017-04-18  查看:次  【

文章摘要: 频率 目前一般使用的超音波发振系统为/2共振系统,即半波长共振系统, 故超音波焊头设计亦皆以/2为设计基准,可作1、1/2、2、22、、、。 理论上在系统功率能推动焊头的条件下,只

 频率
         目前一般使用的超音波发振系统为λ/2共振系统,即半波长共振系统,      故超音波焊头设计亦皆以λ/2为设计基准,可作1λ、1λ/2、2λ、2λ2、、、。
      理论上在系统功率能推动焊头的条件下,只要是λ/2的倍数都可设计焊头,      因此我们 亦可称此种焊头为λ/2共振焊头。

    超音波焊头频率测试方法 

  A、阻抗分析仪 
          超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于阻抗分析
      仪,再设定频率范围搜寻,阻抗最低、波形良好者即为谐振频率。在阻抗
      分析仪测试频率,可以很精确的看出焊头的频率及振态;且其搜寻频率范
      围可设定,对于新研发焊头,在初测频率时无法判断焊头形状及高度,可
      帮助设计者了解焊头的振态及频率,故是焊头的研展测试不可或缺的测试
      手段。
   B、信号产生+计频器 
      超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于信号产生
  器 ,在信号产生器上搜寻焊头的谐振频率,寻至最低电压时计频器所示之
  频率,即为焊头的谐振频率。以此方式测试焊头可避免焊头因制作过程中
  ,频率或谐振点偏离太多,制作中即造成焊头的损坏。
  C、HORN  CHECK+计频器 
     超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于HORN 
      CHECK,调整HORN  CHECK之调频铁粉芯,寻至最低电压时计频器所示之频
      率,即为焊头的谐振频率。
  D、超音波机台+计频器
      将计频器接收信号线夹于振动线外皮,直接在超音波机台测频率,调
  至机台发振箱之电压表、电流表最低点时,计频器所示之频率,即为焊头
  的谐振频率。
      其它的频率测试方法还很多,如敲击焊头以音响接收器接收,配合计
  频仪器亦可测得焊头的频率、、、等。频率测试时除要熟悉测试仪器的特
  性及操作要领,经验判断亦是非常重要,尤其对于焊头本身尺寸,或几何
  体结构已先天不良时更须谨慎,否则常会发生误判谐振频率的错误。
 
    振幅
          超音波焊头振幅的设计,主要考虑因素是加工塑料材质熔接难易度,
      应用的需要性及焊头寿命性。原则上愈难熔接的塑料材质或许会需高振幅
      的应用,其焊头振幅设计要的要求即会愈大,但亦要考虑焊头材质的耐交
      变应力强度;反之,愈容易熔接的塑料材质或不需设计高振幅应用,其
      焊头振幅设计即不需太大,以避免因此造成焊头易破坏、寿命性减低。
      上述所谓材质熔接难易度,简单判断的基准就是塑料材质的熔点,一
  般熔点愈高即表示此材质熔接难度愈高,反之,塑料材质的熔点愈低即表
  示此材质愈容易熔接;塑料材料除本身材质外其添加物亦是要予以特别注
  意考虑,通常添加物多会影响超音波熔接。
 
     超音波焊头振幅量测的方法
  A、机械式量表〈1/1000MM探针式量表〉
      量测时将超音波焊头锁固于HORN CHECK,或机台振动部组上,先将系
  统调至最佳谐振点;将探针座确实固定,探针与焊头成垂直接触,然后
       CHECK超音波系统,从量表的指针移动数据即可知振幅量的大小。此种量
      测方法误差较大,唯振幅数据仍可供制作参考,由于量测方法简便适合于
      制程中量测振幅。
  B、光纤测距仪〈FOTONIC SENSOR〉
      需配合示波器,量测时将超音波焊头锁固于HORN CHECK,或机台振动
      部组上,将系统调至最佳谐振点;然后将光纤探头确实固定,使探头与焊
      头成垂直接触,然后CHECK 超音波系统,将测距仪的指针移动数据,导入
      计算公式经换算,即求得振幅量的大小。此种量测方法误差较小,适合精
      密量测振幅或振幅量太小的焊头振幅量测,故此种量测手段多用于设计开
      发时量测振幅。
          超音波焊头振幅均匀度会影响焊头的寿命,及超音波加工质量,从计
      算机辅助设计有限元素分析发现,当超音波焊头的振幅不均匀时,其焊头
      的内交变应力会集中,且会因有斜振动或斜摆振动而产生内交变应力,此
      时焊头斜振动的位置如是在沟槽接近小端处,即可能会造成该处破裂。超
      音波焊头振幅不均在加工时需耗较长的熔接时间,且熔接强度是不一致,
      更甚者会造成加工物的破坏。
      超音波焊头的几何型体如果是完整对称时,且焊头宽度尺寸未超过
  2/3λ时,从目前计算机辅助有限元素分析的经验得知,超音波焊头都可从
  设计上调整,使焊头压着面(作用端)振幅均匀。也就是说除因加工件需
  不规则成型的超音波外,绝大多数的超音波焊头都是可设计到压着端振幅
  均匀。
     从有限元素分析过程中发现当焊头振幅越均匀时,其内交变应力也会
      因此均匀分布,交变应力之相对质会变小,焊头的整体振态呈绝佳谐振状
      态,同理可知熔接能力也会相对变得更好。从有限元素分析过程中发现,
      超音波焊头的设计最重要的,就是要焊头振幅均匀,因为焊头振幅均匀时,
      就是超音波焊头振态最好的状态。
 
    振态
      焊头振动型式需为谐振模态,振幅分布均匀,内交变应力分散,且数
  值要愈小愈好。振态的好坏影响超音波焊头的寿命及熔接能力,更严重会
  致使超音波系统损坏,因此判断超音波焊头的振态是否正常,是制作超音
  波焊头最重要的工作。以往超音波焊头设计制作多以经验为主,对振态的
  好坏判断,除从HORN CHECK上之电流表、电压表的数值分析外,主要是以
  手感触测焊头的振动状态,此需有相当长的时间的经验累积才能正确判断,
  因此对振态测试应以仪器数据为主,须经验的手感触测为辅。
     超音波焊头振态测试、判断的方法            
  A、HORN CHECK机台测试
     检视超音波焊头发振时频率(F)电流值〈A〉、电压值〈V〉是否在标
      准值之内;频率不在标准的范围内时,超音波的电气特性有可能是不一样
      的。也就是说当焊头不在标准频率时其谐振,并不代表其在标准频率范围
      内仍是可以保持谐振的。检视超音波焊头起振时之电流、电压是否有不正
      常之 PULSE,PULSE大表示超音波焊头起振困难,即此表示超音波焊头振态
      不佳。
  B、阻抗分析仪〈HP 4194〉测试
      利用频率扫描检视超音波焊头共振频率之波形是否正常,是否有复频
  率存在,焊头除谐振频率外有接近的频率存在表示此焊头是异常的。检视
  超音波焊头共振阻抗值是否正常,原则上阻抗越低越好。
  C、量测超音波焊头振幅检视振幅分布
      超音波焊头振幅呈平均分布表示焊头振态佳,应力分散。
  D、手感触测焊头的振动状态
      正常的超音波焊头其发振时是振动状态平顺,如起振时有抖动、两段
  发振或明显的横振波的情况都是属不正常,以手感触测时是可以察觉。超
  音波焊头正常状况短时间发振测试是不会有温升,如在测试时即有温升状
  况是属不正常的超音波焊头。
  E、以计算机分析焊头的振动状态
          将超音波焊头之几何型体绘制成3D图文件,配合有限元素分析软件,
      输入焊头材质、材质之传导音速度及频率范围等、、、参数,经扫描分析
      即可从计算机摹拟动画或影像上,检视判读焊头的振动状态及焊头的应力、
      振幅分布状况。
                                  振幅未调整之焊头

                          振幅调整均匀后之焊头

 
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