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超声波换能器匹配和使用注意事项

 



     超声波换能器和超声波电源、焊接模具良好配合形成了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 ( 超声波电源  ) ,输出 ( 变幅杆,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。
超声波换能器的匹配
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、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。
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。
换能器的使用温度
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。