1           用途及特點

1.1     用途：

超聲波塑料焊接機用于可熔塑性塑料制品的焊接、鉚接、成型、金屬與塑料的鑲嵌。廣泛用于電子、電器、汽車零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工藝品、化妝品等各個行業。

1.2     特點：

超聲波塑料焊接機采用電子程序控制，自動化程度高，操作容易，內置電子保護電路，使用安全，工作穩定可靠。還具有功率大，效率高等特點。

超聲焊接具有焊接面牢固、氣密性和水密性好、強度高，美觀、環保的特點。

2        使用要求

2.1      電源電壓：220 V/10A1P  50 Hz±5% 

2.2      壓縮機排氣量：0.1m3/min 

2.3      環境溫度：0~40℃ 

2.4        相對濕度：35%~85%

2.5        大氣壓力：86~106Kpa

3        技術參數

4        工作原理

4.1     焊接原理：

在焊接時，換能器把20KHz/15KHz的大功率振動信號，轉換為相應的機械能，施加于所需焊接的塑膠件的接觸界面，焊件接合處劇烈摩擦瞬間產生高熱量，從而使分子交替熔合，從而達到焊接效果。

只有分子結構相同或相近的塑料才能進行焊接。在焊接面上是分子間的化學結合，所以母體材料越相近，焊接效果越好（見圖1）。

表示熔接狀況最佳

表示熔接狀況尚可 

表示不宜熔接

丙烯晴雙烯苯乙烯ABS

ACRYLIC MULTIPOLYMER

縮西全樹脂ACETAL

壓克力ACRYLICS

纖維素CELLULOSICS

ABS/POLYCARBONATE

ABS/PVC

BDS

尼龍NYLON

聚碳酸脂POLYCARBONATE

聚酯樹脂聚乙烯POLYESTER-PET

聚丙烯POLYROPYLENE

聚苯乙烯POLYSTYRENE

聚氯乙烯PVC

苯乙烯丙烯晴SAN

STYRENE-M-A

圖1：熱塑性塑料焊接的相容性

   超聲波作用在焊件的接口上，即超聲線。相對二個焊接面只有形成異向振動時才能焊接，同向振動不能焊接（見圖2）。通過對焊件接口形狀的設計和對超聲波模具的設計，可以獲得必要的異向振動條件（見圖3）。

圖2：焊件振動條件

異向振動                           同向振動

圖3：焊接面形狀圖

    模具                   塑膠                   金屬

1、熔接        2、埋值       3、鉚接        4、點焊      5、成形

4.2  影響焊接質量的因素：

4．2．1 在進行焊接時，需要對焊件施加必要的壓力，同時嚴格控制

焊接時間和超聲功率。壓力、時間、功率是確保焊接質量的三要素。

焊接壓力：對焊件施加壓力是為了給聲組件形成一個較為穩定的焊接負載。由于對焊件施加靜壓力，焊件材料將由彈性向塑性過渡，這樣，材料的粘彈系數增加了，就能吸收更多的超聲能量。靜壓力還促進了分子相互擴散并擠去焊縫中的殘余空氣，從而達到水密和氣密。

延時時間：當焊頭對焊件施加壓力達到某一預定值時，才觸發超聲發生器工作，使超聲發生器一開始就處于負載相對穩定的工作狀態。這有利于提高焊接質量，對設備穩定可靠的工作也是很重要的。

焊接時間：由于焊機的輸出功率是一定的，焊件得到的能量與超聲作用時間成正比，所以選擇焊接時間是關鍵。焊接時間短了，出現虛焊，焊接時間長了，造成焊件變形，熔渣溢出，有時還會在非焊接部位出現熱斑（變色）。焊接時間以短為好，一般在1秒以內，所以可以選擇功率大一點的焊機。焊接時間需經過多次試驗才能確定。

保壓時間：超聲停止后，焊件還要在壓力下保持一段時間，以便冷卻定型。

4．2．2  除了焊接設備外，來之于塑料內部或外部的各種因素，對焊接質量有一定的影響，應當引起重視。

    塑料的吸濕性：如果焊接潮濕的塑膠零件，水將在100℃時作為蒸汽跑出來在焊接面上出現氣泡。這樣一來，焊接面就失去了氣密性。吸濕較為嚴重的有尼龍，丙稀酸和聚砜。用這些材料做的零件，焊前必須采取干燥措施。并貯存在聚乙烯袋里。

塑料中的填充物如玻璃纖維、滑石、云母，它們改變了材料的物理特性。塑料中填充料的含有率對塑料的可焊性和焊接質量有很大的關系。含有20%以內的填充料的塑料能正常進行焊接，不需要特殊的方法和設計。在這個范圍內還可以改善某些塑料的可焊性。這時難以焊接的聚乙烯即使在遠場也可以焊接了。當填充物超過20%時，因塑料表面存在著顆粒，焊頭磨損就成了問題。這時，焊頭要選用熱處理過的鋼或鈦合金。填充物超過30%時，由于表面樹脂不足，要求氣密是不可能的。當填充物超過40%時，在焊接面上因缺少樹脂而出現嚴重的溝道。

4．2．3 焊接面形狀：

在超聲塑料焊接中，焊件的焊接面形狀設計是十分重要的。好的焊接面形狀可以節省焊接能量，縮短焊接時間，提高焊接質量。焊接面形狀的選取，取決于焊接材料，焊接類型以及質量要求。

焊接面形狀一般在焊件模塑成型時做定，所以模具設計    師應了解超聲焊接的基本原理和工藝要求。

5        結構特征：

超聲波塑焊機由機械系統、氣壓系統、電器系統三部分組成。

5.1 機械系統：（見圖4）

機械系統由底座、立柱、機頭、滑動體、聲組件、升降器六部分組成。機頭安裝在立柱上，可以沿立柱上下左右移動。升降器作用是平衡機頭重量、調整機頭位置。機頭位置確定后，通過兩個鎖緊手柄固定在立柱上。

聲組件（見圖5）由換能器、增幅器、焊頭三部分組成，通過螺栓使三部分緊密連成一個整體。聲組件裝在滑動體內。

換能器作用是把大功率相應頻率的電信號，轉換成相應的機械能。是一種電能轉變為機械能的元器件。

增幅器類比于電路中的變壓器，起機械阻抗變換和增大振幅作用。

焊頭是根據焊接要求和焊件形狀專業設計的，它還起著二組阻抗變換和增大振幅作用。從結構和形狀看，焊頭并不復雜，然而卻需要最好的設計、最好的材料和加工技術。形狀復雜、尺寸較大的焊頭，設計難度很大，一般都由制造廠設計。

氣壓系統、電器系統均安裝在機頭上。

圖4

5．2 氣壓系統：（見圖6）

氣壓系統用壓縮空氣作動力，通過電磁閥切換氣路，推動氣缸活塞帶動滑動體（連同聲組件）作上下運動。用“壓力調節”按鈕控制氣壓大小，用單向閥控制升降速度。

5．3          電器系統：

5．3．1           定時電路：定時電路對焊接過程執行時序控制。通過機頭面板上的按鈕、開關可設定延時時間、焊接時間、保壓時間。只要用手按下底座上的“啟動”按鈕，焊機將自動完成一次焊接過程。

5．3．2           超聲發生器：超聲發生器是向聲組件提供電功率。通過調整“頻率微調”按鈕使超聲發生器的頻率與聲組件的共振頻率一致，根據焊件的面積和材料調整功率輸出的大小。

6         安裝調試：

6.1  將機器放置于平整、牢固、高度合適的工作臺上。

6.2  準備工作：

6．2．1        準備好排氣量為0.1m3/min的壓縮空氣機和內徑為Ø6的高壓進氣管，然后將氣管接入機頭后側過濾器的進氣嘴上，打開壓縮空氣機的排氣閥。

6．2．2        準備好電壓為220V±10% 50Hz，電流大于10A接地良好的三孔插座，然后插上電源插頭，打開電源開關。

6．2．3        準備好焊頭、底模、焊件、夾具、勾形扳手、內六角扳手、螺栓等。 

6.3   安裝焊頭：

先將特制的焊頭螺孔周圍和增幅器下端面的灰塵擦拭干凈并涂上少許黃油，然后用3/8英制螺栓將它們連接起來，再用專用的勾形扳手將它緊固。

• Ø注意：連接前必須將螺栓上的雜物和兩螺絲孔內的雜物清理干凈，然后再將螺栓垂直地擰上，不得歪斜，否則會導致增幅器或模具的內螺紋滑牙而不能繼續使用。

最后松動下夾緊板的鎖緊螺栓，左右轉動焊頭至適宜位置，再將鎖緊螺栓擰緊。

• Ø注意：往一個方向旋轉不得超過360°，否則把換能器的高壓輸出線擰斷。安裝好的聲組件必須位置正著，在外力的推動、鈕轉下無松動感覺。

6．4   調節焊頭的行程：

先關閉調壓閥，將焊件（連同底模）平放在底座上，拉下焊頭，使焊頭下端面與焊件上端面之間的高度為2-3mm。如達不到此距離，必須擰松兩個鎖緊手柄，搖動升降手柄使焊頭下降至適宜位置，然后擰緊鎖緊手柄。

• Ø注意：抬起焊頭至最高點，焊頭下端面與焊件上端面的距離應小于75mm。即焊頭的行程不能大于或等于汽缸的行程（75mm）。否則，將導致不能焊接，或焊接不牢。

6．5    調節焊頭與焊件的準確對位：

用左手抬起焊頭，右手把焊件（連同底模）放在焊頭下面，前后左右移動焊件（連同底模），使它與焊頭完全對好位，然后借助壓板將底模牢固地固定在底座上。

6．6   調節焊頭上升下降的速度：

焊頭上升下降速度應適中，太快將沖擊焊件，太慢又影響工作效率。若要改變上升下降的速度，可調節機身后面左側進氣口處的單向節流閥。

6．7  調整焊頭與焊件的接觸狀態：

焊頭與焊件的接觸面必須平整無間隙。焊件所承受的壓力應均勻一致。當焊頭

的模型尺寸較大時，很難滿足，為此可采取如下措施：

在底模下面墊軟木，硬橡膠皮等富有彈性的平板。

將白紙和印色紙迭在一起放在焊件下面，通過試壓觀察紙上的染色位置及染色深淺，來判斷受壓狀態。然后在底模下面墊上錫紙來改善接觸狀態，直到滿意為止。

6．8  調節工作壓力：

根據焊接面積和焊接材料的不同，焊件所能承受壓力情況選取焊接的工作壓力。

需要在焊件表面形成異相振條件時，埋焊過程中為了防止冷擠壓時，焊接壓力不宜過高。

工作壓力范圍一般在0.05-0.4Mpa之間為宜。調節面板上的“壓力調節”旋鈕即可改變工作壓力的大小。

6．9  試聲、調節頻率：

間斷地按下“超聲測試”按鈕，緩慢旋轉“頻率微調”旋鈕（左右旋轉）使超聲發生器的振蕩頻率與聲組件的共振頻率一致，此時，空載電流應為最小，一般應小于15%。若不一致，則空載電流大于15%。

若聲組件的共振頻率發生變化，則指示位置也發生變化。所以每次更換模具時，應重新調整“頻率微調”按鈕使超聲發生器的振蕩頻率與焊頭及換能器的共振頻率一致。否則，空載電流過大。

• Ø注意：空載電流過大，容易損壞換能器。

6.10  調功率：                                                           

根據焊件面積和焊件材料的不同，調節“功率調節”旋鈕檔位。檔位越高，輸出振幅越大，檔位越低，輸出振幅越小。

6．11   調節延時時間： 

本機采用延時觸發超聲。即從按“啟動”按鈕到發生器產生超聲這段時間。

調節范圍為0-9，相當于0.1-8秒。一般調到1-4為宜。在出廠前已由制造廠調好。若本機用于埋焊，可將“延時時間”調至最小。

6.12  調節焊接時間：

焊接時間就時超聲發生器發出振動時間。其調節范圍為00-99，相當于0.1-5秒。開始設置一個焊接時間，根據多次試焊，修改焊接時間，直到焊接質量滿意為止。

6.13   調節保壓時間：

保壓時間即超聲停止后，焊件還要在壓力下保持一段時間，以便冷卻定型。其調節范圍為0-9，相當于0.1-5秒。

7．焊接：

所有參數設定好后，按下“啟動”按鈕，然后松開，焊機將自動完成一次焊接動作。

• Ø注意：焊頭下降時，人體頭部、手部切勿伸入焊頭下，以免發生意外，如有緊急情況，可按下“急停”按鈕，停止焊接動作。