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超声波模具的设计与制作讲解

超声波模具的设计与制作讲解

当使用一个加工不当或是未经过调谐的焊头，将给你的生产带来

昂贵的损失——它会破坏焊接效果，甚至更严重的会直接导致换能

器或发生器的损坏。

因此，超声波模具的设计，绝不像它的外形那样简单，相反，需

要很多的专业知识和技能，那么，如何保证焊头能够最经济地工作?

如何保证焊头能够将换能器转换的机械振动能有效地传递到工件上，

形成持续稳定的焊接?

超声波模具，是超声波技术中最具有技术深度的一个方面。即使

已经拥有几年的设计和开发经验，我们还是坚信，只有通过严格的

测试和质量控制，才能生产出最好的焊头。我们的工程师将焊头的

声学特性和机械特性完美地结合起来，设计出最符合客户需要的产

品。

我们生产的每一套焊头和模具，不管是标准产品，还是根据客户

要求定制的，都是用最好的材料制成的，同时经过反复的测试。焊

头的外形、强度以及音频等各种参数经过多次试验，能符合最为严

格的标准，焊头和模具达到最完美的匹配。

一.模具的振幅参数

振幅，对于需要焊接的材料来说是一个关键参数，相当于铬铁的

温度，温度达不到，就会熔接不上;温度过高，就会使原材料烧焦或

导致结构破坏而强度变差。

因为每一间公司选择的换能器不同，换能器输出的振幅都有所不

同，经过适配不同变比的变幅杆及焊头，能够校正焊头的工作振幅

以符合要求，通常换能器的输出振幅为10-20μm，而工作振幅一般

为30μm左右，变幅杆及焊头的变比同变幅杆及焊头的形状、前后

面积比等因素有关。以形状来说，如指数型变幅、函数型变幅、阶

梯型变幅等，对变比影响很大，前后面积比与总变比成正比。若贵

公司选用的是不同公司品牌的焊接机，最简单的方法是，按已工作

的焊头的比例尺寸制作，能保证振幅参数的稳定。

二.模具频率参数

任何公司的超声波焊接机都有一个中心频率，例如20KHz、

40KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器(Transducer)、变幅杆

(Booster)和焊头(Horn)的机械共振频率所决定。

发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊头工作

在谐振状态，每一个部分都设计成一个半波长的.谐振体。发生器及

机械共振频率都有一个谐振工作范围，如一般设定为±0.5KHz，在

此范围内，焊接机基本都能正常工作。我们制作每一个焊头时，都

会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于

0.1KHZ，如，20KHz焊头，我们焊头的频率会控制在19.90-

20.10KHz，误差为5‰。

三.振动节点

焊头、变幅杆，均被设计为一个工作频率的半波长谐振体。在工

作状态下，两个端面的振幅最大，应力最小，而相当于中间位置的

节点振幅为零，应力最大。节点位置一般设计为固定位，但通常的

固定位设计时厚度要大于3mm，或者是凹槽固定，所以，固定位并

不是一定为零振幅，这样就会引致一些叫声和一部分的能量损失，

对于叫声，通常用橡胶圈同其它部件隔离，或采用隔声材料进行屏

蔽;能量损失在设计振幅参数时予以考虑。

四.加工精度

超声波焊头，因为工作于高频振动情况下，应尽量保持一个对称

设计，以避免声波传递的不对称性导致的不均衡应力及横向振动(我

们所用于焊接的焊头，利用的是超声波振动的纵向传递，对于整个

谐振系统而言)，不均衡振动能导致焊头发热及断裂。

超声波焊接应用于不同行业，对加工精度要求是不同的。对于特

别薄的工件，如锂离子电池极片与极耳的焊接、金箔等的包覆等，

对加工精度的要求非常高，我们所有的加工设备均采用数控设备(如

加工中心等)，这样才能保证加工出来的精度符合要求。

五.模具使用寿命

一只焊头的使用寿命，关键决定于两个方面：一、材料，二、工

艺。

材料方面：

超声波焊接要求金属材料有柔顺性(声波传递过程中机械损耗小)

好的特点，所以，最常用的材料为铝合金及钛合金。

材料是保证超声波模具寿命与熔接产品效果的主要原因之一。模

具完成的过程是复杂的，所以，不仅是模具工程师设计务必慎重选

择材质，亦需了解本身产品要求该使用何种材质，避免因疏忽而影

响其时效与品质。

现将目前各种材料的特性略述如下(某公司均采用世界名牌美国

ALCOL公司产品，该公司的7075T651铝材达到美国铝业行业协会

AAA标准)：

1.铝镁合金(7075T651，2024T651