天津上荣超声波焊接设备有限公司

超声波焊接机:超声波能量转换计算

      超声波焊接机的功能是将交流电能量转化为超声波能量,并将该能量由超声波模具施加于聚合物零件。超声波焊接机主要由超声换能器、超声发生器、变幅杆及超声波模具组成,其中超声发生器的功能是将220V、50Hz的交流电转换为驱动超声换能器工作的高频电信号;超声换能器是整个系统的核心器件,它将超声发生器输出的高频交流电信号转换为机械振动,即超声波能量;变幅杆通常安装在超声换能器的末端,其作用是将超声波振幅放大,通过超声波模具将超声波能量传递到零件。

超声波焊接机


       为提高能量利用效率,超声换能器、变幅杆及超声波模具均在其固有频率工作,超声发生器所产生的驱动电压频率与其工作频率相匹配,在超声波焊接过程中使超声波电源中各部件均工作在共振状态。目前大多厂家所生产的超声波焊接机中所选用的超声频率通常为15~40kHz,超声波模具的末端空载振幅通常为5~60μm可调。超声波换能器

       在超声波焊接过程中,超声波能量使界面间产生热量,从而实现界面熔同时超声波作用于零件整体,使零件产生形变,大振幅超声波会使零件在封程中发生较大形变,影响微器件的形状精度,对于聚合物基MEMS器件甚至对某些微结构产生破坏作用。为降低超声波能量的破坏性并为界面产热提供的育邑量,本文选择高频率、低振幅的超声换能器进行能量转换。超声波能量于辐射面上的声能强度可由下式表示:

超声波能量公式

式中,f为振动频率;A0为振动幅度;ρoCo为材料的声阻抗。由式(6.1)可知超声波能强度与频率和振幅的平方成正比例关系,因此可以通过提高超声波的频率来弥补减小振幅所引起的强度降低。超声波振子本装置选用了工作频率为60kHz的超声换能器及超声发生器来提供超声波能量,相比于目前常用的20kHz超声波焊机,频率的提高可在相对较小的振幅下为焊接提供足够强度的超声能量,减小振幅既可以降低焊接器件的形变量,又可以降低微器件所受到的机械振动负载,使其内部微结构不受到损坏,更适用于微器件的焊接。其中超声发生器的通断通过继电器卡控制。

       由于选择了高频率、低振幅、低功率的超声波系统,对于振幅的要求降低,变幅杆的增幅需求被削弱,因此为了减小能量在传递过程中的损失,在振动子结构中取消变幅杆结构,超声换能器直接与带有低倍增幅作用的超声波模具焊接。

       定位精度是MEMS微装配领域的一项重要指标,为保证待焊接器件在超声波作用下不发生横向滑移,设计了带有固定结构的超声波模具。该超声波模具采用指数型结构设计,其增幅倍率计算公式为

超声波模具振幅倍率公式

式中,Sl和S2分别为超声波模具上、下表面的面积,本文所采用的超声波模具上、下两个端面尺寸直径分别为15mm和6mm,其增幅倍率为2.5。在工具头未端制有直径为1mm 的圆柱体突起结构,并在后续实验中均在零件顶端设计形状匹配的圆孔与超声波模具末端的固定结构间隙配合,用于防止零件在超声波焊接过程中发生横向横滑移。

超声波塑料焊接机