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如何选择超声波焊接参数规范
超声波焊接的主要工艺参数是:振动频率f振幅A、静压力P以及焊接时间t。振动频率f在工艺上有两重意义,即谐振频率的数值确定以及焊接时谐振频率的精度。
谐振频率的选择通常以焊件的厚度及物理性能为依据。在焊接薄件时,宜选取高的谐振频率,这是因为在维持声功率相等的前提下,提高振动频率即可相应降低需用的振幅,而降低振幅即可减轻薄件因交变应力而可能引起的疲劳破坏。所以通常小功率超声波焊机(100W 以下)多选用25kHz ~80kHz的谐振频率,功率愈小,选用频率愈高。
由于随着频率的提高,高频振动能量在声学系统中的损耗将愈显增大,因此大功率焊机一般都选择16kHz~20kHz较低的谐振频率。
一般地说,对硬度及屈服极限都比较低的材料,其适用的频率范围也选在低频范围之内。
谐振频率的精度是保证焊点质量及其稳定性的重要因素。由于超声波焊接过程中机械负荷的多变性,因而会出现随机的失谐现象,其结果导致接头强度的降低和不稳定。
为了保证声学系统的谐振,除了采用频率自动跟踪式发生器外,还应进一步改善声学系统的设计。例如弯曲振动系统的谐振频率精度就比纵向振动系统来得高。
振幅A是超声波焊接中最重要的规范参数,其大小将确定摩擦功的数值,材料表面氧化膜的驱除条件,塑性流动的状态以及结合面的加热温度等等。
超声波焊机中的振幅A,约在5um ~ 25um的范围内,选用的数值决定于材料的厚度和性质。当换能器材料和聚能器结构一旦被确定后,振幅的改变往往是通过调节发生器的输出电参数来达到。因此最大振幅值的获得取决于所选换能器的材料以及聚能器的放大系数K。
振幅的选择应与其他工艺参数统筹考虑,例如采用大的振幅就可缩短焊接时间t,因此这也是提高生产率的一个手段。
静压力P用来将超声振动传递到工件,并促使形成接头区的塑性流动层。静压力P过低,上声极与工件之间的表面滑动损耗几乎占去了全部的振动能量。工件实际上并不发生振动,当然不可能形成连接。
静压力P过大也是不合理的,因为在这种情况下,振幅值会随负载增大而减小,并因材料压溃造成截面削弱而降低焊点的强度。
由于在较大压力下能通过较短的时间达到焊接所需的最高强度及塑性流动,因此也可以看成是提高超声波焊接生产率的另一个手段。
焊接时间对焊点强度的影响有类似的规律。为了形成焊点所必须的最小时间为t min,小于tmin的焊接时间均因不足以破坏表面氧化膜而无法焊接,接头强度随时间延长而迅速提高,并趋向定值。当焊接时间超过最大值 t
max时,一方面由于焊件受热加剧,声极陷入工件,使焊点截面削弱,从而降低了抗剪强度。同时由于振动时间过长,可能引起接头内部的疲劳裂纹,或在声极与工件接触区周界上的疲劳裂纹。
焊接时间t的选择,随材料性质、厚度及其他工艺参数而定。当压力P、振幅A增加及工件厚度减小时,时间:应取较低的数值。
目前选用的焊接时间不超过3s,在大多数生产应用中,焊接时间选取在1.5s以内。
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