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焊头为什么会失效?你应该了解这些

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焊头为什么会失效?你应该了解这些

发布日期:2019-08-12 作者:yeyao419 点击:

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焊头在超声波焊接中起着关键作用。但焊头究竟是怎样一种“工具”,它的作用是什么?让我们一一介绍。

焊头是将振动有效传递到塑料焊接部位的工具。它有以下功能:

  • 传递振动能量

  • 传递压力

  • 传递振幅

  • 提供与产品外形一致的形状,同时因为塑料有延展性,所以能够一定程度的贴合产品。

焊头的设计和制造必须非常小心,因为只有好的焊头才能保证良好的焊接结果。如果焊头设计不良(振幅设计、振型不合理),制造不良(材料选择,修频不合适),可能会导致焊头断裂失效。

不同尺寸的焊头

焊头材料选择和限制

通常,用三种不同材料来制造焊头,每种材料都有其特有的性能。要根据使用要求和预期进行选择。

  • 铝合金:用于软模验证工艺阶段或者小批量生产阶段,不能承受机械应力。或用于重量和成本是重要考量因素的大型焊头。这是一种最常用的材料,具有良好机械性能(硬度和超声传播速度)和经济性。

  • 钛合金:用于产品的小、中、大批量生产阶段,具有优异的声学性能,能够承受最大机械应力是铝合金的3倍,有相对优异的耐磨性能。同时,通过在焊头表面进行特定的表面处理能够大大增加其耐磨性。常常用于含有玻璃纤维塑料的焊接。

  • 合金钢:用于无法适用铝合金和钛合金的塑料部件焊接,其具有高硬度和最高耐磨性,一般使用前要经过硬化处理。这种材料常常用于超声波金属螺丝镶嵌的应用中。

为了获得最佳的焊接效果,建议不要使用大型超声波焊头。因为大型焊头的振动表面振幅输出无法严格一致,所以焊接大型产品时,建议使用子母焊头或者多个单独焊头组合焊接。焊头使用时还应注意以下几点:

  • 铝合金焊头振幅输出≤60μm;

  • 钛合金焊头,对于简单的圆形焊头,最大输出振幅90-120μm;

  • 对于大型焊头,焊头端面增加沟槽有助于振幅输出更均匀,同时最大输出振幅≤60μm;

  • 对于大型子母焊头,母焊头振幅输出≤40μm;

  • 需要避免锋利的边缘。所有焊头边缘必须是倒圆角,以避免破损;

  • 必须使用适当的工具组装焊头。

FEA评估焊头质量并优化

使用先进的FEA有限元仿真,能够在设计阶段对焊头进行失效分析,评估和优化焊头的振动行为、输出振幅均匀性,和最大应力。试验证明能够对焊头进行准确评估,大大提高焊头的可靠性。

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采用FEA对焊头振动和振幅优化案例

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采用FEA对焊头应力分布优化案例

焊头的类型和特点

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焊头有不同类型,以适合不同的应用需求。例如:一个小的、高增益(高振幅输出)圆形焊头用来焊接小的矩形零件;大的矩形焊头输出小振幅,用来焊接大型零件。最常见的几种类型如下:

  • 台阶型焊头(Stepped Horn):焊头两端具有不同的截面,两段截面在焊头节点位置通过圆角过渡。台阶型焊头因为在节点平面截面突然变化,所以具有高增益大振幅输出,同时机械应力也较大。该类焊头适用于超声波焊接、铆接、脱落等过程。

  • 指数型焊头( Exponential Horn):焊头外形按照指数公式变化。横截面逐渐过渡,将内部应力分布在较长区域,以减少峰值应力。因此,这类焊头具有理想的应力分布和优异的抗疲劳强度。适用于焊接压力大,振幅输出小的应用中,如金属螺丝镶嵌。

  • Catenoid焊头:结合了台阶型高增益 和 指数型低应力的优点。适用于焊接和铆接各种小型零件。

  • 矩形(Rectangular)或者圆形(Bar)焊头:常用设计。小尺寸的矩形焊头也通常采用台阶型设计。一般宽度大于88mm焊头,为了避免焊头横向振动和应力,必须在其结构上增加槽。标准的矩形焊头最大尺寸可以做到250mm。

  • 圆形焊头(Circular Horn):包括中空或者实心焊头。通常用在焊接区域为圆形的塑料部件。直径超过88mm的圆形焊头通常增加槽,以允许轴向振动。


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