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超音波焊頭三要素:頻率、振幅、振態

發布者:嘉能超音波  發布時間:2017-04-18  查看:次  【

文章摘要: 頻率 目前一般使用的超音波發振系統為/2共振系統,即半波長共振系統, 故超音波焊頭設計亦皆以/2為設計基準,可作1、1/2、2、22、、、。 理論上在系統功率能推動焊頭的條件下,只

 頻率
         目前一般使用的超音波發振系統為λ/2共振系統,即半波長共振系統,      故超音波焊頭設計亦皆以λ/2為設計基準,可作1λ、1λ/2、2λ、2λ2、、、。
      理論上在系統功率能推動焊頭的條件下,只要是λ/2的倍數都可設計焊頭,      因此我們 亦可稱此種焊頭為λ/2共振焊頭。

    超音波焊頭頻率測試方法 

  A、阻抗分析儀 
          超音波焊頭裝置于振動子或振動部組之上,將輸出線連接于阻抗分析
      儀,再設定頻率范圍搜尋,阻抗最低、波形良好者即為諧振頻率。在阻抗
      分析儀測試頻率,可以很精確的看出焊頭的頻率及振態;且其搜尋頻率范
      圍可設定,對于新研發焊頭,在初測頻率時無法判斷焊頭形狀及高度,可
      幫助設計者了解焊頭的振態及頻率,故是焊頭的研展測試不可或缺的測試
      手段。
   B、信號產生+計頻器 
      超音波焊頭裝置于振動子或振動部組之上,將輸出線連接于信號產生
  器 ,在信號產生器上搜尋焊頭的諧振頻率,尋至最低電壓時計頻器所示之
  頻率,即為焊頭的諧振頻率。以此方式測試焊頭可避免焊頭因制作過程中
  ,頻率或諧振點偏離太多,制作中即造成焊頭的損壞。
  C、HORN  CHECK+計頻器 
     超音波焊頭裝置于振動子或振動部組之上,將輸出線連接于HORN 
      CHECK,調整HORN  CHECK之調頻鐵粉芯,尋至最低電壓時計頻器所示之頻
      率,即為焊頭的諧振頻率。
  D、超音波機臺+計頻器
      將計頻器接收信號線夾于振動線外皮,直接在超音波機臺測頻率,調
  至機臺發振箱之電壓表、電流表最低點時,計頻器所示之頻率,即為焊頭
  的諧振頻率。
      其它的頻率測試方法還很多,如敲擊焊頭以音響接收器接收,配合計
  頻儀器亦可測得焊頭的頻率、、、等。頻率測試時除要熟悉測試儀器的特
  性及操作要領,經驗判斷亦是非常重要,尤其對于焊頭本身尺寸,或幾何
  體結構已先天不良時更須謹慎,否則常會發生誤判諧振頻率的錯誤。
 
    振幅
          超音波焊頭振幅的設計,主要考慮因素是加工塑料材質熔接難易度,
      應用的需要性及焊頭壽命性。原則上愈難熔接的塑料材質或許會需高振幅
      的應用,其焊頭振幅設計要的要求即會愈大,但亦要考慮焊頭材質的耐交
      變應力強度;反之,愈容易熔接的塑料材質或不需設計高振幅應用,其
      焊頭振幅設計即不需太大,以避免因此造成焊頭易破壞、壽命性減低。
      上述所謂材質熔接難易度,簡單判斷的基準就是塑料材質的熔點,一
  般熔點愈高即表示此材質熔接難度愈高,反之,塑料材質的熔點愈低即表
  示此材質愈容易熔接;塑料材料除本身材質外其添加物亦是要予以特別注
  意考慮,通常添加物多會影響超音波熔接。
 
     超音波焊頭振幅量測的方法
  A、機械式量表〈1/1000MM探針式量表〉
      量測時將超音波焊頭鎖固于HORN CHECK,或機臺振動部組上,先將系
  統調至最佳諧振點;將探針座確實固定,探針與焊頭成垂直接觸,然后
       CHECK超音波系統,從量表的指針移動數據即可知振幅量的大小。此種量
      測方法誤差較大,唯振幅數據仍可供制作參考,由于量測方法簡便適合于
      制程中量測振幅。
  B、光纖測距儀〈FOTONIC SENSOR〉
      需配合示波器,量測時將超音波焊頭鎖固于HORN CHECK,或機臺振動
      部組上,將系統調至最佳諧振點;然后將光纖探頭確實固定,使探頭與焊
      頭成垂直接觸,然后CHECK 超音波系統,將測距儀的指針移動數據,導入
      計算公式經換算,即求得振幅量的大小。此種量測方法誤差較小,適合精
      密量測振幅或振幅量太小的焊頭振幅量測,故此種量測手段多用于設計開
      發時量測振幅。
          超音波焊頭振幅均勻度會影響焊頭的壽命,及超音波加工質量,從計
      算機輔助設計有限元素分析發現,當超音波焊頭的振幅不均勻時,其焊頭
      的內交變應力會集中,且會因有斜振動或斜擺振動而產生內交變應力,此
      時焊頭斜振動的位置如是在溝槽接近小端處,即可能會造成該處破裂。超
      音波焊頭振幅不均在加工時需耗較長的熔接時間,且熔接強度是不一致,
      更甚者會造成加工物的破壞。
      超音波焊頭的幾何型體如果是完整對稱時,且焊頭寬度尺寸未超過
  2/3λ時,從目前計算機輔助有限元素分析的經驗得知,超音波焊頭都可從
  設計上調整,使焊頭壓著面(作用端)振幅均勻。也就是說除因加工件需
  不規則成型的超音波外,絕大多數的超音波焊頭都是可設計到壓著端振幅
  均勻。
     從有限元素分析過程中發現當焊頭振幅越均勻時,其內交變應力也會
      因此均勻分布,交變應力之相對質會變小,焊頭的整體振態呈絕佳諧振狀
      態,同理可知熔接能力也會相對變得更好。從有限元素分析過程中發現,
      超音波焊頭的設計最重要的,就是要焊頭振幅均勻,因為焊頭振幅均勻時,
      就是超音波焊頭振態最好的狀態。
 
    振態
      焊頭振動型式需為諧振模態,振幅分布均勻,內交變應力分散,且數
  值要愈小愈好。振態的好壞影響超音波焊頭的壽命及熔接能力,更嚴重會
  致使超音波系統損壞,因此判斷超音波焊頭的振態是否正常,是制作超音
  波焊頭最重要的工作。以往超音波焊頭設計制作多以經驗為主,對振態的
  好壞判斷,除從HORN CHECK上之電流表、電壓表的數值分析外,主要是以
  手感觸測焊頭的振動狀態,此需有相當長的時間的經驗累積才能正確判斷,
  因此對振態測試應以儀器數據為主,須經驗的手感觸測為輔。
     超音波焊頭振態測試、判斷的方法            
  A、HORN CHECK機臺測試
     檢視超音波焊頭發振時頻率(F)電流值〈A〉、電壓值〈V〉是否在標
      準值之內;頻率不在標準的范圍內時,超音波的電氣特性有可能是不一樣
      的。也就是說當焊頭不在標準頻率時其諧振,并不代表其在標準頻率范圍
      內仍是可以保持諧振的。檢視超音波焊頭起振時之電流、電壓是否有不正
      常之 PULSE,PULSE大表示超音波焊頭起振困難,即此表示超音波焊頭振態
      不佳。
  B、阻抗分析儀〈HP 4194〉測試
      利用頻率掃描檢視超音波焊頭共振頻率之波形是否正常,是否有復頻
  率存在,焊頭除諧振頻率外有接近的頻率存在表示此焊頭是異常的。檢視
  超音波焊頭共振阻抗值是否正常,原則上阻抗越低越好。
  C、量測超音波焊頭振幅檢視振幅分布
      超音波焊頭振幅呈平均分布表示焊頭振態佳,應力分散。
  D、手感觸測焊頭的振動狀態
      正常的超音波焊頭其發振時是振動狀態平順,如起振時有抖動、兩段
  發振或明顯的橫振波的情況都是屬不正常,以手感觸測時是可以察覺。超
  音波焊頭正常狀況短時間發振測試是不會有溫升,如在測試時即有溫升狀
  況是屬不正常的超音波焊頭。
  E、以計算機分析焊頭的振動狀態
          將超音波焊頭之幾何型體繪制成3D圖文件,配合有限元素分析軟件,
      輸入焊頭材質、材質之傳導音速度及頻率范圍等、、、參數,經掃描分析
      即可從計算機摹擬動畫或影像上,檢視判讀焊頭的振動狀態及焊頭的應力、
      振幅分布狀況。
                                  振幅未調整之焊頭

                          振幅調整均勻后之焊頭

 
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