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超声波焊接机核心部件换能器的介绍

文章出处:无锡恒暖科技 热门关键词: admin 人气: 发表时间:2018-03-30 08:19
超声波换能器作为超声波焊接机的核心部件主要功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。
压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成,Cymbal阵列接收器由8~16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m,频带宽度达到10kHz,能检测高速移动的远距离目标。
根据不同的设计超声波换能器的形式主要有:
.柱型(NTK型)    2.倒喇叭型(必能信型)    3钢后盖型    4.中间夹铝片型
主要适用与超声波塑料焊接机、超声波塑料焊接、超声波金属焊接机,超声波清洗机,超声波声化学设备等。
超声波焊接机对换能器的一般要求有:
1.发热量低。
2.热稳定性好。
3.频率与静态电容一致性强。
4.谐振阻抗低。
5.平均寿命长。
6.可用于各种超声波清洗设备
在使用过程中可能会出现的故障有换能器开裂,导致焊接塑料时发波但焊接不牢固力度很弱,如若是新型是自动追频则会自动检测到换能器损坏而报警,老式超声波则需要将换能器那部分拆拆下来用肉眼观测是否开裂,开裂后只需要购买新的换能器即可。无法再修复。
超声波换能器常见问题
1、超声波振子受潮,可以用兆欧表检查与超声波换能器相连接的插头,检查绝缘电阻值就可以判断基本情况,一般要求绝缘电阻大于5兆欧以上。如果达不到这个绝缘电阻值,一般是超声波换能器受潮
2、超声波换能器振子打火,陶瓷材料碎裂,可以用肉眼和兆欧表结合检查,一般作为应急处理的措施,可以把个别损坏的超声波振子断开,不会影响到别的超声波振子正常使用。
3、振子脱胶,我们的超声波换能器是采用胶结,螺钉紧固双重保证工艺,在一般情况下不会出现这种情况。
4、不锈钢振动面穿孔,一般超声波换能器满负荷使用10年可能会出现振动面穿孔的情况
超声波换能器的使用须知
使用超声波换能器最主要考虑的问题就是与输入输出端的匹配,其次是机械安装和配合尺寸。换能器的频率相对而言还比较直观些。该频率是指用频率(函数)发生器,毫伏表,示波器等通过传输线路法测得的频率,或用网络阻抗分析仪等类似仪表测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对应的是上机频率,即客户将超声波换能器通过电缆连到机箱上,通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户匹配电路各不相同,同样的超声波换能器在不同的驱动电源(电箱)表现出来的频率是不同的,这样的频率不能作为交流讨论的依据。
1、试用时效果不好怎么办?
试用时常见的问题是晶片开裂、无力、易过载、电极片打火、电极片开裂、发热严重、怪声、漏波、晶片错位。
应该说,在试用阶段出现一些问题是很正常的,也可以说是必然的。其原因从宏观上说主要是国内超声波工业发展的历史还比较短,技术和经验积累还不够。具体到用户,则有各种各样的原因。如对超声波系统没有深刻和充分的理解,驱动电路是模仿国外产品,结构设计及模具是师傅教的,没有深厚的理论基础,检测和测量仪器缺乏,工厂生产任务繁重,客户赶货等等。
发生了问题,我们认为原因可以归为三类。其一是客户的驱动电源或模具及装配有问题,其二是我们的换能器及变幅杆有问题,第三是双方的产品都没有问题,但不匹配。
第一种情况,我们建议客户积极的查找原因,或向同行请教,或与我们公司技术人员沟通,尽快改进。就算您不采用我们公司的产品,但改进自身存在的问题绝对是有利而无害的。
第二种情况也是必定会发生的,只不过发现的可能性很小。我们公司可以自豪的说,我们公司生产国内产品质量最好品种最全的大功率超声波换能器,超声波变幅杆,国内大的超声波设备整机企业几乎全是我们的客户。而且,我们每种超声波换能器都有许多客户同时在使用。通过客户使用故障反馈意见,我们对每种超声波换能器产品的平均质量水平是非常清楚的,同时有 ISO9000 质量认证体系和严格的工艺和检验,我们换能器产品的质量是有保证的。在正常情况下,我们出厂产品的合格率是 100% ,客户退货率不超过 5% 。若在保修期内退货率超过 5% ,我们就会提醒贵公司要引起重视了。还有另一个方法可以作为佐证,照理换能器的质量不好是个别情况,而且原因也应各不相同;若换能器都成批的出现同样的情况,则应该说有个必然的原因在里面了。
第三种情况是最常见的,就是客户的驱动电源是好的,超声波换能器也是好的,组装也是正常的,但是各部分不匹配。引起不匹配的主要参数是超声波换能器的频率和电容量。由于各种原因,客户告诉我们的数据不是太合适,这就必然会造成不匹配的现象。
针对这一情况,解决的办法是客户调整自己的驱动电源的匹配参数以适合我们的超声波换能器,这对客户的技术要求比较高,也会造成客户驱动电源标准不统一,增加了管理上的难度,这一方法不是太好,我们不提倡。
第二个办法是客户再仔细研究一下自己的机箱和原来使用的换能器的各项参数。对换能器连变幅杆后及连模具后的信号频率及上机频率重新测算一遍,包括用大小不同的电容量的换能器做一下试验,以求找到最佳的参数,再告诉我们。若觉的这样做太麻烦,还有一个简单的办法,就是请您将原本正在用的觉的跟你的驱动电源配的比较好的超声波换能器的参数测量后告诉我们。或者再简单一点,您也不用测了,就请将超声波换能器寄给我们,由我们的高精度仪器做专业的测量,再将样品给你寄回。我们公司对同一品种换能器准备了一系列的不同频率和电容量。例如,标称 15K 的换能器频率从 14.5—15.0 都有,标称 20K 的超声波换能器的频率从 19.5—20.0 都有,电容量也有高低很多种。我们发货前都会征求客户的意见,要什么频率,什么电容量。总而言之,只要你能提供准确的参数要求,我们可以保证提供给您合适的超声波换能器。
2、匹配概念及操作?
让超声波换能器和驱动电源、焊接模具良好配合以形成一台完整的超声波设备可以简称为匹配。由于匹配对整机性能的影响是决定性的,无论怎样强调匹配的重要性都不为过。匹配最主要考虑的因素是换能器的电容量,其次是超声波换能器的频率。
需要强调的是,超声波换能器本身不是一个能量发生器,它只是一个能量转换器。是将电能转换为声能 ( 机械能 ) ,在输入 ( 驱动电源 ) ,输出( 超声波变幅杆,超声波模具 ) 良好匹配的前提下,它可以转换(输出)很大的能量。
输入匹配是指超声波换能器与驱动电源的匹配,若输出匹配好而输入匹配不好,则表现为超声波换能器无力,焊不牢。若输出匹配不好而输入匹配好,则换能器会过载,造成晶片错位开裂,破碎,螺杆断,铝裂或烧电箱功率管。举个例子,就像汽车在空挡状态下猛踩油门,发动机肯定容易损坏的。
换能器与驱动电源的匹配主要有 4 个方面,即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和频率。如前所述因为陶瓷片是绝缘体,你几乎可以理解为换能器是不通电的,它只是相当于一个电容器。要使换能器工作,实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压,让换能器的电容充放电。压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形,形成了整个换能器的纵向振动,从而带动变幅杆和模具振动。所以,若电容匹配不好,轻者是超声波换能器无力,焊不牢;重者换能器发热严重,烧电极片、烧电源的大功率管。我们的换能器产品附有产品性能参数表,给出了每个换能器的电容和频率。驱动电源应该根据换能器的电容量,调整高压变压器,匹配电容板,峰化线圈,调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性,功放板,扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。而且随着工作进行,换能器的温度会升高,导致电容也会升高且变化量可能会超过 50% ,若不能将电容有效地匹配掉,就会造成回路中电流电压相位差很大,功率因素很低,虚功高。看看电流很大,但换能器没力,易发热,且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片(耳朵)振裂或烧掉很可能就是由此引起的。
频率匹配同样也非常重要。这首先是因为超声换能器只能工作在他的谐振频率点,所以驱动电源、超声波变幅杆、焊接模具(工具头)都应该在这个频率下工作。一般而言,我们希望这个差别最大不超过 ± 0.1kHz ,能小一点就更好。我们强烈建议您配套焊接模具(焊头)的频率低于振动子频率 0.1kHz 左右(小信号频率)。也就是说,若原振动子小信号测量的频率是 14.85 kHZ ,则连上模具后再测频率为 14.75 kHZ 最为理想。同时就应考虑到,超声波换能器接上变幅杆和模具头后,系统的谐振频率峰会变得很尖锐,也即带宽很窄,机械品质因数很大,频率偏移一点都会造成阻抗很大的增加。表现在驱动电源上就是电源(振幅表电功率)很大或过载保护。若刚好这时是空载调机,则很可能会造成晶片错位,晶片裂或中心螺杆断。
功率匹配和阻抗匹配主要是考虑到超声波焊接系统是间隙式工作,负载变化极大,焊接时要有足够的功率输出,空载时要控制在最小振幅。否则,就像前面提到的,空载时输入很大,则损坏换能器。满载时功率上不去,焊不牢还是没用的。
3、各部件装配注意事项
超声波振动系统的各个部件,如换能器、变幅杆、工具头等主要部分是通过中心螺栓连接的。
1 、检查接触面应平整光滑无伤痕,若有伤痕,用零号以上的金相砂纸轻轻打磨。要求既能将缺陷磨平,又不破坏接触面的平面度。
2 、用易挥发无腐蚀性的清洁剂清洁螺丝、螺孔和接触面。
3 、彻底清洁螺丝、螺孔和接触面。
4 、所有连接螺孔应垂直于接触面。
5 、拧紧前在接触面上涂薄薄一层硅脂(或黄油和凡士林),注意不要将硅脂涂到连接螺丝及螺孔上。
6 、小心地将二个部件拧紧。根据连接螺丝规格的不同,控制合适的拧紧力矩。在可能的情况下,应拧的适当紧一点。
7、若重新松开结合面后应该看不到有任何伤痕。
8 、用手摸振动系统振幅均匀,无怪声,无局部严重发热。
9 、工作一段时间后重新送开结合面应没有氧化或烧蚀痕迹,否则就说明此处接触不好,超声波能量在这里损失严重。
4 、换能器的使用温度
超声波换能器使用时会发热,这主要是由三个原因引起的。其一是被焊工件会发热或被超声波斯湾处理的物质会发热,或模具(工具头)、变幅杆长时间工作会发热,这些热量都会传递到换能器上。其二是换能器本身的功率损耗。既然做不到能量转换效率 100% ,损耗的那部分能量必然转换成热量。温升会导致换能器参数变化,逐渐偏移最佳匹配状态,更严重的是温升会导致压电陶瓷晶片性能的劣化。这反过来又促使换能器工作状态更坏,更快地升温,这是一个恶性循环。所以我们必须给以换能器良好的冷却条件,一般是常温风冷;如有必要,也可采用冷风风冷。在正常情况下,这两点引起的温升也是正常的,在正常的冷却条件下,不会有大的问题。
在实践中我们发现,还有第三个原因,就是客户在使用时没能将换能器与驱动电源匹配到最佳工作状态,这引起的发热是很大的,而且是不可控的,会产生严重的后果。同时温度高了,铝材的机械强度就急剧下降,在大功率的作用下,开裂就是必然的了。明明是好的东西,由于使用不当造成损坏,实在是太可惜了。我公司有很大的损失,但贵公司的损失更大。所以,我们很希望能和贵公司一起,共同努力,提高超声波的应用技术水平。
根据国内外的经验,换能器的温度在任何时候都绝对不能超过摄氏 85 ℃。我们会在换能器上贴有一次性不可逆的温度感应贴片,只要换能器温度超过 85 ℃,温度感应贴片就会永久地变色,这就提醒你换能器使用还存在一些问题,应该全面地查找一下问题的原因,若不及时改进问题极有可能导致超声波机械损坏。客户请经常测量换能器温度,并及时检查感温贴片颜色。客户不得将感温贴片撕掉,对感温贴片已经变色的损坏的换能器,我公司将根据情况作出同意退换和不同意退换的决定。