塑料焊接焊头为什么会失效？你应该了解这些

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

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。

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。

采用FEA对焊头振动和振幅优化案例

采用FEA对焊头应力分布优化案例

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。