频率
目前一般使用的超音波发振系统为λ/2共振系统,即半波长共振系统, 故超音波焊头设计亦皆以λ/2为设计基准,可作1λ、1λ/2、2λ、2λ2、、、。
理论上在系统功率能推动焊头的条件下,只要是λ/2的倍数都可设计焊头, 因此我们 亦可称此种焊头为λ/2共振焊头。
超音波焊头频率测试方法
A、阻抗分析仪
超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于阻抗分析
仪,再设定频率范围搜寻,阻抗最低、波形良好者即为谐振频率。在阻抗
分析仪测试频率,可以很精确的看出焊头的频率及振态;且其搜寻频率范
围可设定,对于新研发焊头,在初测频率时无法判断焊头形状及高度,可
帮助设计者了解焊头的振态及频率,故是焊头的研展测试不可或缺的测试
手段。
B、信号产生+计频器
超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于信号产生
器 ,在信号产生器上搜寻焊头的谐振频率,寻至最低电压时计频器所示之
频率,即为焊头的谐振频率。以此方式测试焊头可避免焊头因制作过程中
,频率或谐振点偏离太多,制作中即造成焊头的损坏。
C、HORN CHECK+计频器
超音波焊头装置于振动子或振动部组之上,将输出线连接于HORN
CHECK,调整HORN CHECK之调频铁粉芯,寻至最低电压时计频器所示之频
率,即为焊头的谐振频率。
D、超音波机台+计频器
将计频器接收信号线夹于振动线外皮,直接在超音波机台测频率,调
至机台发振箱之电压表、电流表最低点时,计频器所示之频率,即为焊头
的谐振频率。
其它的频率测试方法还很多,如敲击焊头以音响接收器接收,配合计
频仪器亦可测得焊头的频率、、、等。频率测试时除要熟悉测试仪器的特
性及操作要领,经验判断亦是非常重要,尤其对于焊头本身尺寸,或几何
体结构已先天不良时更须谨慎,否则常会发生误判谐振频率的错误。
振幅
超音波焊头振幅的设计,主要考虑因素是加工塑料材质熔接难易度,
应用的需要性及焊头寿命性。原则上愈难熔接的塑料材质或许会需高振幅
的应用,其焊头振幅设计要的要求即会愈大,但亦要考虑焊头材质的耐交
变应力强度;反之,愈容易熔接的塑料材质或许不需设计高振幅应用,其
焊头振幅设计即不需太大,以避免因此造成焊头易破坏、寿命性减低。
上述所谓材质熔接难易度,简单判断的基准就是塑料材质的熔点,一
般熔点愈高即表示此材质熔接难度愈高,反之,塑料材质的熔点愈低即表
示此材质愈容易熔接;塑料材料除本身材质外其添加物亦是要予以特别注
意考虑,通常添加物多会影响超音波熔接。
超音波焊头振幅量测的方法
A、机械式量表〈1/1000MM探针式量表〉
量测时将超音波焊头锁固于HORN CHECK,或机台振动部组上,先将系
统调至最佳谐振点;将探针座确实固定,探针与焊头成垂直接触,然后
CHECK超音波系统,从量表的指针移动数据即可知振幅量的大小。此种量
测方法误差较大,唯振幅数据仍可供制作参考,由于量测方法简便适合于
制程中量测振幅。
B、光纤测距仪〈FOTONIC SENSOR〉
需配合示波器,量测时将超音波焊头锁固于HORN CHECK,或机台振动
部组上,将系统调至最佳谐振点;然后将光纤探头确实固定,使探头与焊
头成垂直接触,然后CHECK 超音波系统,将测距仪的指针移动数据,导入
计算公式经换算,即求得振幅量的大小。此种量测方法误差较小,适合精
密量测振幅或振幅量太小的焊头振幅量测,故此种量测手段多用于设计开
发时量测振幅。
超音波焊头振幅均匀度会影响焊头的寿命,及超音波加工质量,从计
算机辅助设计有限元素分析发现,当超音波焊头的振幅不均匀时,其焊头
的内交变应力会集中,且会因有斜振动或斜摆振动而产生内交变应力,此
时焊头斜振动的位置如是在沟槽接近小端处,即可能会造成该处破裂。超
音波焊头振幅不均在加工时需耗较长的熔接时间,且熔接强度是不一致,
更甚者会造成加工物的破坏。
超音波焊头的几何型体如果是完整对称时,且焊头宽度尺寸未超过
2/3λ时,从目前计算机辅助有限元素分析的经验得知,超音波焊头都可从
设计上调整,使焊头压着面(作用端)振幅均匀。也就是说除因加工件需
不规则成型的超音波外,绝大多数的超音波焊头都是可设计到压着端振幅
均匀。
从有限元素分析过程中发现当焊头振幅越均匀时,其内交变应力也会
因此均匀分布,交变应力之相对质会变小,焊头的整体振态呈绝佳谐振状
态,同理可知熔接能力也会相对变得更好。从有限元素分析过程中发现,
超音波焊头的设计最重要的,就是要焊头振幅均匀,因为焊头振幅均匀时,
就是超音波焊头振态最好的状态。
振态
焊头振动型式需为谐振模态,振幅分布均匀,内交变应力分散,且数
值要愈小愈好。振态的好坏影响超音波焊头的寿命及熔接能力,更严重会
致使超音波系统损坏,因此判断超音波焊头的振态是否正常,是制作超音
波焊头最重要的工作。以往超音波焊头设计制作多以经验为主,对振态的
好坏判断,除从HORN CHECK上之电流表、电压表的数值分析外,主要是以
手感触测焊头的振动状态,此需有相当长的时间的经验累积才能正确判断,
因此对振态测试应以仪器数据为主,须经验的手感触测为辅。
超音波焊头振态测试、判断的方法
A、HORN CHECK机台测试
检视超音波焊头发振时频率(F)电流值〈A〉、电压值〈V〉是否在标
准值之内;频率不在标准的范围内时,超音波的电气特性有可能是不一样
的。也就是说当焊头不在标准频率时其谐振,并不代表其在标准频率范围
内仍是可以保持谐振的。检视超音波焊头起振时之电流、电压是否有不正
常之 PULSE,PULSE大表示超音波焊头起振困难,即此表示超音波焊头振态
不佳。
B、阻抗分析仪〈HP 4194〉测试
利用频率扫描检视超音波焊头共振频率之波形是否正常,是否有复频
率存在,焊头除谐振频率外有接近的频率存在表示此焊头是异常的。检视
超音波焊头共振阻抗值是否正常,原则上阻抗越低越好。
C、量测超音波焊头振幅检视振幅分布
超音波焊头振幅呈平均分布表示焊头振态佳,应力分散。
D、手感触测焊头的振动状态
正常的超音波焊头其发振时是振动状态平顺,如起振时有抖动、两段
发振或明显的横振波的情况都是属不正常,以手感触测时是可以察觉。超
音波焊头正常状况短时间发振测试是不会有温升,如在测试时即有温升状
况是属不正常的超音波焊头。
E、以计算机分析焊头的振动状态
将超音波焊头之几何型体绘制成3D图文件,配合有限元素分析软件,
输入焊头材质、材质之传导音速度及频率范围等、、、参数,经扫描分析
即可从计算机摹拟动画或影像上,检视判读焊头的振动状态及焊头的应力、
振幅分布状况。
振幅未调整之焊头
振幅调整均匀后之焊头
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