1           用途及特点

1.1     用途：

超声波塑料焊接机用于可熔塑性塑料制品的焊接、铆接、成型、金属与塑料的镶嵌。广泛用于电子、电器、汽车零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工艺品、化妆品等各个行业。

1.2     特点：

超声波塑料焊接机采用电子程序控制，自动化程度高，操作容易，内置电子保护电路，使用安全，工作稳定可靠。还具有功率大，效率高等特点。

超声焊接具有焊接面牢固、气密性和水密性好、强度高，美观、环保的特点。

2        使用要求

2.1      电源电压：220 V/10A1P  50 Hz±5% 

2.2      压缩机排气量：0.1m3/min 

2.3      环境温度：0~40℃ 

2.4        相对湿度：35%~85%

2.5        大气压力：86~106Kpa

3        技术参数

4        工作原理

4.1     焊接原理：

在焊接时，换能器把20KHz/15KHz的大功率振动信号，转换为相应的机械能，施加于所需焊接的塑胶件的接触界面，焊件接合处剧烈摩擦瞬间产生高热量，从而使分子交替熔合，从而达到焊接效果。

只有分子结构相同或相近的塑料才能进行焊接。在焊接面上是分子间的化学结合，所以母体材料越相近，焊接效果越好（见图1）。

表示熔接状况最佳

表示熔接状况尚可 

表示不宜熔接

丙烯晴双烯苯乙烯ABS

ACRYLIC MULTIPOLYMER

缩西全树脂ACETAL

压克力ACRYLICS

纤维素CELLULOSICS

ABS/POLYCARBONATE

ABS/PVC

BDS

尼龙NYLON

聚碳酸脂POLYCARBONATE

聚酯树脂聚乙烯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

图1：热塑性塑料焊接的相容性

   超声波作用在焊件的接口上，即超声线。相对二个焊接面只有形成异向振动时才能焊接，同向振动不能焊接（见图2）。通过对焊件接口形状的设计和对超声波模具的设计，可以获得必要的异向振动条件（见图3）。

图2：焊件振动条件

异向振动                           同向振动

图3：焊接面形状图

    模具                   塑胶                   金属

1、熔接        2、埋值       3、铆接        4、点焊      5、成形

4.2  影响焊接质量的因素：

4．2．1 在进行焊接时，需要对焊件施加必要的压力，同时严格控制

焊接时间和超声功率。压力、时间、功率是确保焊接质量的三要素。

焊接压力：对焊件施加压力是为了给声组件形成一个较为稳定的焊接负载。由于对焊件施加静压力，焊件材料将由弹性向塑性过渡，这样，材料的粘弹系数增加了，就能吸收更多的超声能量。静压力还促进了分子相互扩散并挤去焊缝中的残余空气，从而达到水密和气密。

延时时间：当焊头对焊件施加压力达到某一预定值时，才触发超声发生器工作，使超声发生器一开始就处于负载相对稳定的工作状态。这有利于提高焊接质量，对设备稳定可靠的工作也是很重要的。

焊接时间：由于焊机的输出功率是一定的，焊件得到的能量与超声作用时间成正比，所以选择焊接时间是关键。焊接时间短了，出现虚焊，焊接时间长了，造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。焊接时间以短为好，一般在1秒以内，所以可以选择功率大一点的焊机。焊接时间需经过多次试验才能确定。

保压时间：超声停止后，焊件还要在压力下保持一段时间，以便冷却定型。

4．2．2  除了焊接设备外，来之于塑料内部或外部的各种因素，对焊接质量有一定的影响，应当引起重视。

    塑料的吸湿性：如果焊接潮湿的塑胶零件，水将在100℃时作为蒸汽跑出来在焊接面上出现气泡。这样一来，焊接面就失去了气密性。吸湿较为严重的有尼龙，丙稀酸和聚砜。用这些材料做的零件，焊前必须采取干燥措施。并贮存在聚乙烯袋里。

塑料中的填充物如玻璃纤维、滑石、云母，它们改变了材料的物理特性。塑料中填充料的含有率对塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。含有20%以内的填充料的塑料能正常进行焊接，不需要特殊的方法和设计。在这个范围内还可以改善某些塑料的可焊性。这时难以焊接的聚乙烯即使在远场也可以焊接了。当填充物超过20%时，因塑料表面存在着颗粒，焊头磨损就成了问题。这时，焊头要选用热处理过的钢或钛合金。填充物超过30%时，由于表面树脂不足，要求气密是不可能的。当填充物超过40%时，在焊接面上因缺少树脂而出现严重的沟道。

4．2．3 焊接面形状：

在超声塑料焊接中，焊件的焊接面形状设计是十分重要的。好的焊接面形状可以节省焊接能量，缩短焊接时间，提高焊接质量。焊接面形状的选取，取决于焊接材料，焊接类型以及质量要求。

焊接面形状一般在焊件模塑成型时做定，所以模具设计    师应了解超声焊接的基本原理和工艺要求。

5        结构特征：

超声波塑焊机由机械系统、气压系统、电器系统三部分组成。

5.1 机械系统：（见图4）

机械系统由底座、立柱、机头、滑动体、声组件、升降器六部分组成。机头安装在立柱上，可以沿立柱上下左右移动。升降器作用是平衡机头重量、调整机头位置。机头位置确定后，通过两个锁紧手柄固定在立柱上。

声组件（见图5）由换能器、增幅器、焊头三部分组成，通过螺栓使三部分紧密连成一个整体。声组件装在滑动体内。

换能器作用是把大功率相应频率的电信号，转换成相应的机械能。是一种电能转变为机械能的元器件。

增幅器类比于电路中的变压器，起机械阻抗变换和增大振幅作用。

焊头是根据焊接要求和焊件形状专业设计的，它还起着二组阻抗变换和增大振幅作用。从结构和形状看，焊头并不复杂，然而却需要最好的设计、最好的材料和加工技术。形状复杂、尺寸较大的焊头，设计难度很大，一般都由制造厂设计。

气压系统、电器系统均安装在机头上。

图4

5．2 气压系统：（见图6）

气压系统用压缩空气作动力，通过电磁阀切换气路，推动气缸活塞带动滑动体（连同声组件）作上下运动。用“压力调节”按钮控制气压大小，用单向阀控制升降速度。

5．3          电器系统：

5．3．1           定时电路：定时电路对焊接过程执行时序控制。通过机头面板上的按钮、开关可设定延时时间、焊接时间、保压时间。只要用手按下底座上的“启动”按钮，焊机将自动完成一次焊接过程。

5．3．2           超声发生器：超声发生器是向声组件提供电功率。通过调整“频率微调”按钮使超声发生器的频率与声组件的共振频率一致，根据焊件的面积和材料调整功率输出的大小。

6         安装调试：

6.1  将机器放置于平整、牢固、高度合适的工作台上。

6.2  准备工作：

6．2．1        准备好排气量为0.1m3/min的压缩空气机和内径为Ø6的高压进气管，然后将气管接入机头后侧过滤器的进气嘴上，打开压缩空气机的排气阀。

6．2．2        准备好电压为220V±10% 50Hz，电流大于10A接地良好的三孔插座，然后插上电源插头，打开电源开关。

6．2．3        准备好焊头、底模、焊件、夹具、勾形扳手、内六角扳手、螺栓等。 

6.3   安装焊头：

先将特制的焊头螺孔周围和增幅器下端面的灰尘擦拭干净并涂上少许黄油，然后用3/8英制螺栓将它们连接起来，再用专用的勾形扳手将它紧固。

• Ø注意：连接前必须将螺栓上的杂物和两螺丝孔内的杂物清理干净，然后再将螺栓垂直地拧上，不得歪斜，否则会导致增幅器或模具的内螺纹滑牙而不能继续使用。

最后松动下夹紧板的锁紧螺栓，左右转动焊头至适宜位置，再将锁紧螺栓拧紧。

• Ø注意：往一个方向旋转不得超过360°，否则把换能器的高压输出线拧断。安装好的声组件必须位置正着，在外力的推动、钮转下无松动感觉。

6．4   调节焊头的行程：

先关闭调压阀，将焊件（连同底模）平放在底座上，拉下焊头，使焊头下端面与焊件上端面之间的高度为2-3mm。如达不到此距离，必须拧松两个锁紧手柄，摇动升降手柄使焊头下降至适宜位置，然后拧紧锁紧手柄。

• Ø注意：抬起焊头至最高点，焊头下端面与焊件上端面的距离应小于75mm。即焊头的行程不能大于或等于汽缸的行程（75mm）。否则，将导致不能焊接，或焊接不牢。

6．5    调节焊头与焊件的准确对位：

用左手抬起焊头，右手把焊件（连同底模）放在焊头下面，前后左右移动焊件（连同底模），使它与焊头完全对好位，然后借助压板将底模牢固地固定在底座上。

6．6   调节焊头上升下降的速度：

焊头上升下降速度应适中，太快将冲击焊件，太慢又影响工作效率。若要改变上升下降的速度，可调节机身后面左侧进气口处的单向节流阀。

6．7  调整焊头与焊件的接触状态：

焊头与焊件的接触面必须平整无间隙。焊件所承受的压力应均匀一致。当焊头

的模型尺寸较大时，很难满足，为此可采取如下措施：

在底模下面垫软木，硬橡胶皮等富有弹性的平板。

将白纸和印色纸迭在一起放在焊件下面，通过试压观察纸上的染色位置及染色深浅，来判断受压状态。然后在底模下面垫上锡纸来改善接触状态，直到满意为止。

6．8  调节工作压力：

根据焊接面积和焊接材料的不同，焊件所能承受压力情况选取焊接的工作压力。

需要在焊件表面形成异相振条件时，埋焊过程中为了防止冷挤压时，焊接压力不宜过高。

工作压力范围一般在0.05-0.4Mpa之间为宜。调节面板上的“压力调节”旋钮即可改变工作压力的大小。

6．9  试声、调节频率：

间断地按下“超声测试”按钮，缓慢旋转“频率微调”旋钮（左右旋转）使超声发生器的振荡频率与声组件的共振频率一致，此时，空载电流应为最小，一般应小于15%。若不一致，则空载电流大于15%。

若声组件的共振频率发生变化，则指示位置也发生变化。所以每次更换模具时，应重新调整“频率微调”按钮使超声发生器的振荡频率与焊头及换能器的共振频率一致。否则，空载电流过大。

• Ø注意：空载电流过大，容易损坏换能器。

6.10  调功率：                                                           

根据焊件面积和焊件材料的不同，调节“功率调节”旋钮档位。档位越高，输出振幅越大，档位越低，输出振幅越小。

6．11   调节延时时间： 

本机采用延时触发超声。即从按“启动”按钮到发生器产生超声这段时间。

调节范围为0-9，相当于0.1-8秒。一般调到1-4为宜。在出厂前已由制造厂调好。若本机用于埋焊，可将“延时时间”调至最小。

6.12  调节焊接时间：

焊接时间就时超声发生器发出振动时间。其调节范围为00-99，相当于0.1-5秒。开始设置一个焊接时间，根据多次试焊，修改焊接时间，直到焊接质量满意为止。

6.13   调节保压时间：

保压时间即超声停止后，焊件还要在压力下保持一段时间，以便冷却定型。其调节范围为0-9，相当于0.1-5秒。

7．焊接：

所有参数设定好后，按下“启动”按钮，然后松开，焊机将自动完成一次焊接动作。

• Ø注意：焊头下降时，人体头部、手部切勿伸入焊头下，以免发生意外，如有紧急情况，可按下“急停”按钮，停止焊接动作。