超声波点焊机的工作原理是什么

一、主要组件与能量转换基础

超声波塑料点焊机的工作依赖四大主要组件的能量传递与转换,各组件功能环环相扣:

超声波发生器(电子系统)接入220V/380V 工频交流电后,发生器将其转换为高频交流电(通常为20kHz、35kHz,少数精密场景达40kHz),这一频率是塑料焊接的 “黄金频率”—— 既能保证振动能量足以产生摩擦热,又不会因频率过高导致设备损耗或工件共振损伤。

换能器(能量转换关键)换能器是 “电能→机械能” 的转换装置,其主要是压电陶瓷片(利用 “压电效应”:通电后陶瓷片会产生高频伸缩振动)。高频交流电通入换能器后,压电陶瓷片随电流频率同步伸缩,将电能转化为高频纵向机械振动(振幅约数微米,肉眼不可见)。

变幅杆(能量放大与传递)换能器输出的原始振幅极小(通常<10μm),不足以直接焊接塑料。变幅杆(又称 “振幅扩大器”)通过特殊的锥形或阶梯形结构,将换能器的微小振动进行振幅放大(放大至20-100μm,具体根据塑料材质调整),同时保持振动频率不变,并将放大后的机械振动高效传递至焊接头。

焊接头(执行端)焊接头(也称 “焊头”“上模”)是直接与工件接触的部件,其形状需与焊接点的轮廓匹配(如圆形、方形、点状凸起)。它将变幅杆传递的高频振动直接作用于塑料工件的焊接部位,是振动能量的 “主要输出端”。

二、完整工作流程(四阶段)

当设备启动后,上述组件协同运作,通过四个连续阶段完成焊接:

1. 加压定位阶段

操作人员将待焊接的两件(或多件)热塑性塑料工件叠放,使焊接点对齐,并置于焊机的 “下模”(固定工件的底座)上。

设备驱动系统带动焊接头下行,对工件施加预设压力(通常为0.1-0.5MPa),将工件紧密压合在焊接点处,确保振动能量能集中传递,避免间隙导致能量损耗。

2. 高频振动与摩擦生热阶段

当焊接头与工件紧密接触并达到预设压力后,超声波发生器启动,通过换能器、变幅杆将高频机械振动传递至焊接头。

焊接头以20-40kHz 的频率高速 “上下振动”(振幅20-100μm),这种振动迫使工件焊接界面的塑料分子之间、塑料与焊接头之间产生剧烈的剪切摩擦。

摩擦产生的热量迅速在焊接界面聚集(局部温度可升至塑料的 “熔融温度”,如 PP约160℃、ABS约200℃),但热量局限于界面几微米的范围,工件其他部位温度基本不变(避免热损伤)。

3. 熔化融合阶段

随着摩擦热的积累,焊接界面的塑料由固态迅速转为熔融态(形成 “熔池”),塑料分子的原有结构被破坏,分子链开始自由运动。

在焊接头持续的压力作用下,熔融态的塑料分子相互渗透、扩散,实现分子级的融合(而非简单的 “粘连”),此时焊接界面的边界逐渐消失。

4. 冷却固化阶段

当熔池形成并达到预设的焊接时间(通常0.1-3 秒)后,超声波发生器停止工作,振动立即终止,但焊接头仍保持对工件的压力(即 “保压阶段”,持续0.1-2 秒)。

在压力作用下,熔融态的塑料快速冷却,分子链重新排列并固化,形成结构致密、强度高的焊接接头。

保压结束后,焊接头上行复位,取出工件,整个焊接过程完成。