超聲波模具的設計與制作

當使用一個加工不當或是未經(jīng)過調諧的焊頭，將給你的生產(chǎn)帶來昂貴的損失——它會破壞焊接效果，更嚴重的會直接導致?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單，相反，需要很多的專業(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能有效地傳遞到工件上形成持續(xù)穩(wěn)定的焊接呢？

一、模具的振幅參數(shù)

振幅，對于需要焊接的材料來說是一個關鍵參數(shù)，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。以形狀來說，如指數(shù)型變幅、函數(shù)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(shù)的穩(wěn)定。

二、模具頻率參數(shù)

任何公司的超聲波焊接機都有一個中心頻率，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(jù)機械共振頻率調整，以達到一致，使焊頭工作在諧振狀態(tài)，每一個部分都設計成一個半波長的諧振體。發(fā)生器及機械共振頻率都有一個諧振工作范圍，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0.1KHZ，如，20KHz焊頭，我們焊頭的頻率會控制在19.90-20.10KHz，誤差為5‰。

三、振動節(jié)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(tài)下，兩個端面的振幅最大，應力最小，而相當于中間位置的節(jié)點振幅為零，應力最大。節(jié)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，通常用橡膠圈同其它部件隔離，或采用隔聲材料進行屏蔽；能量損失在設計振幅參數(shù)時予以考慮。

四、加工精度

超聲波焊頭，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(tǒng)而言），不均衡振動能導致焊頭發(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(shù)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。

五、模具使用壽命

一只焊頭的使用壽命，關鍵決定于兩個方面：一、材料，二、工藝。

超聲波焊接要求金屬材料有柔順性（聲波傳遞過程中機械損耗小）好的特點，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(chǎn)品要求該使用何種材質，避免因疏忽而影響其時效與品質。現(xiàn)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AAA標準）：

1.鋁鎂合金（7075T651，2024T651，6061T651）

（1）7075T651：使用于振動系統(tǒng)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，質較軟。

2.鈦合金

用于連續(xù)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，是超聲波技術中最具有技術深度的一個方面。即使已經(jīng)擁有幾年的設計和開發(fā)經(jīng)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(chǎn)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地結合起來，設計出最符合客戶需要的產(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(jù)客戶要求定制的，都是用最好的材料制成的，同時經(jīng)過反復的測試。焊頭的外形、強度以及音頻等各種參數(shù)經(jīng)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。