超聲波塑料焊接機(jī)的噪音與控制

2021-11-15 18:11

超聲波塑料焊接由于快捷、衛(wèi)生、強(qiáng)度較高、控制方便而得到人們的廣泛重視。通常應(yīng)用的超聲波塑料焊機(jī)工作頻率一般為20kHz,對(duì)于小件及精密零件焊接也有采用30~40kHz、75kHz、300kHz等。盡管這些焊機(jī)的工作頻率已經(jīng)超過了人耳可聽閾(16kHz),但由于超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)來產(chǎn)熱，這種振動(dòng)勢(shì)必造成低頻振動(dòng)的激勵(lì)和諧音的產(chǎn)生，從而引發(fā)了人耳可聽的噪音存在。研究表明,這些高頻及低頻振動(dòng)(聲音)有時(shí)會(huì)引起頭疼、疲勞、甚至造成眩暈、惡心、嘔吐以及聽力下降等不良反應(yīng)。本文綜合實(shí)際的焊接研究工作探究了超聲波塑料焊接過程中噪音產(chǎn)生的主要原因及可能的防止措施。

超聲波塑料焊接機(jī)

超聲波焊接利用高頻振動(dòng)來獲得焊接效應(yīng)，那么超聲的產(chǎn)生、傳播、放大、聚焦所有聲波傳遞過程中，所有不當(dāng)?shù)牡胤骄鶗?huì)產(chǎn)生噪音。超聲波焊機(jī)基本由電控系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)以及聲學(xué)系統(tǒng)等組成。噪音的產(chǎn)生，主要集中在聲學(xué)系統(tǒng)，還有一部分來源于加壓系統(tǒng)。聲學(xué)系統(tǒng)主要有換能器、變幅桿和焊頭組成，換能器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、然后變幅桿放大，最后通過與焊件幾何形狀匹配的焊頭傳遞給焊件。上述的機(jī)械能在焊件的接頭處轉(zhuǎn)化為熱能，從而熔化塑料，在壓力作用下形成接頭。在這一系列過程中，聲波傳輸在焊件處并沒有停止，還要通過底座，所有這些聲波傳輸都有可能是噪音的來源。

噪音的產(chǎn)生

聲學(xué)系統(tǒng)自身匹配
聲學(xué)系統(tǒng)（換能器、變幅桿、焊頭）三者通過螺栓連接，要求諧振工作且阻抗匹配。但由于聲學(xué)設(shè)計(jì)的粗糙性，要達(dá)到完全的阻抗匹配很難實(shí)現(xiàn)。目前最佳的設(shè)計(jì)是理論加經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)三者不匹配時(shí)，在界面上將產(chǎn)生能量的耗散及振動(dòng)的不一致性，從而產(chǎn)生噪音。另外在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，考慮到振幅的變換、阻抗匹配，有時(shí)三者的連接尺寸不盡相同（不等徑），暴露的界面將作為一種噪音源，向空中輻射超聲能量。

聲學(xué)系統(tǒng)的夾持
對(duì)于超聲焊接，焊接壓力是一個(gè)必需且非常重要的工藝參數(shù)。首先必須有壓力才能造成工件的接觸和聲波的耦合，更主要的是壓力決定著產(chǎn)熱、接頭的強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)。一般焊接壓力由機(jī)架提供，與聲學(xué)系統(tǒng)的切入點(diǎn)是在聲學(xué)系統(tǒng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上。一般選擇在變幅桿上，此點(diǎn)理論上振動(dòng)速度為0。然而當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或在焊接過程中聲學(xué)系統(tǒng)頻率隨工況變化時(shí)，變幅桿的節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)生飄移。此時(shí)夾持點(diǎn)的振動(dòng)速度不等于0。這樣一方面降低了聲傳輸效率，另一方面由于高頻振動(dòng)由夾持點(diǎn)導(dǎo)入到機(jī)架中，激勵(lì)起相關(guān)的振動(dòng)，從而引發(fā)噪音出現(xiàn)。

聲學(xué)系統(tǒng)尺寸
焊頭的作用是將聲能有效地耦合進(jìn)入所焊工件，因此它的形狀與尺寸除與焊機(jī)使用頻率直接相關(guān)外，還與工件上表面的幾何尺寸關(guān)系密切。如電話機(jī)手柄的焊接、大環(huán)的焊接，這些焊接所需要的焊頭尺寸一般均較大（大于波長(zhǎng)的1/4）。這時(shí)在縱波傳播過程中，橫向振動(dòng)必然被激發(fā)出來，從而產(chǎn)生混合振動(dòng)。這種振動(dòng)極易產(chǎn)生噪音。有時(shí)大環(huán)縫焊接的中空焊頭發(fā)出的空鳴也是噪音一大來源。

工件的設(shè)計(jì)
工件的空間形狀也影響著噪音的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中，在超聲傳播的路徑上若有中斷現(xiàn)象，將會(huì)使焊件局部產(chǎn)生自由端面振動(dòng)，這極利于噪音的產(chǎn)生。另外對(duì)于薄壁件（尤其是遠(yuǎn)域焊，即焊頭與接頭位置相距較遠(yuǎn)），接頭處不僅有縱向振動(dòng)，而且還存在較大的橫向位移，激發(fā)出其它諧波，帶來噪音。

機(jī)架底座與工件固定
底座也是焊機(jī)中較為關(guān)鍵的部件，它的好壞直接影響到焊機(jī)的效率，同時(shí)也影響著噪音水平。在焊接過程中工件有時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，這不僅影響了焊件的外觀質(zhì)量，而且還引起較大的噪音，因此需要較好的固定裝置和彈性緩沖。尤其是對(duì)于難焊材料、使用焊接功率較大的情況下，這種振動(dòng)噪音更加明顯。

噪音的防止

噪音來源于焊機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)和焊件，因此為減小噪音污染需要合理的聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和接頭形式設(shè)計(jì)。對(duì)于聲學(xué)系統(tǒng)，一方面夾持點(diǎn)需要彈性固定，同時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)各部件以及各部件間需要平滑過渡；另一方面盡量減小聲學(xué)系統(tǒng)諧振頻率的變化。對(duì)于大尺寸焊頭，需要在焊頭上開鑿縱向狹縫，以減小橫向振動(dòng)帶來的噪音。對(duì)于焊件，盡量減少遠(yuǎn)域焊的接頭形式，同時(shí)注意盡量避免在聲傳輸通道上出現(xiàn)工藝孔等。實(shí)際上最有效的減小噪音的辦法是將焊機(jī)全封閉或焊接區(qū)封閉，這樣可以將噪音降低幾十分貝。

帶有隔音罩的超聲波塑料焊接機(jī)

超聲波焊接是一種有效的焊接方法，但噪音問題應(yīng)該引起重視。噪音的產(chǎn)生主要由于聲學(xué)系統(tǒng)及焊件設(shè)計(jì)不合理造成的，因此對(duì)于聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)盡量采用圓滑過渡、彈性?shī)A持、大焊頭開槽等措施來減小聲能向外輻射發(fā)散。對(duì)于工件應(yīng)注意盡量避免聲波中斷或遠(yuǎn)域焊情況。在工作現(xiàn)場(chǎng)也可以通過焊機(jī)封閉或聲屏蔽的方法來減小噪音污染。

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