超声波模具的设计与制作

你可能经常会有这样的想法：超声波模具的设计和生产一定是非常的简单。千万不要被误导，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，才能生产出好的焊头。我们的工程师将焊头的声学特性和机械特性结合起来，设计出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，焊头和模具达到接近完美的匹配。

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，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，两个端面的振幅大，应力最小，而相当于中间位置的节点振幅为零，应力大。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（某公司均采用世界品牌美国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（7075T651，2024T651，6061T651）

（1）7075T651：使用于振动系统及焊头制造，该材料具有极高的机械屈服强度，硬度高，热传导性强，是理想的超声波模具制造材料；

（2）2024T651：一般使用与焊头制造，韧性佳，热传导性强，硬度适中，用于一般塑胶制品；

2.钛合金

用于连续发振的机种，韧性较高，热传导佳，硬度高，而成本昂贵。

3.国产硬质铝合金

国产料，用于普通铝材加工，热传导低，对超音波机械损耗高，成本低。

公司企业网站：http://www.qd-sonic.cn/

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