伺服壓力精密控制超聲波焊接機的發展

伺服電機精密壓力控制超聲焊接的最新進展是由對塑料零件的需求所推動的，這些零件往往比過去更小，更輕，壁更薄且輪廓更明顯。越來越多的這些部件還包含嵌入式電子設備和傳感器，在超聲波焊接過程中需要特別小心。

為了滿足精密塑膠零件行業對這些更小，更精細的組件中可重復，牢固且一致的焊縫的需求，需要開發改進的超聲焊接技術。也許最近最重要的改進是開發了新的、更精確的力控制方法。這需要對超聲波焊接致動器及其微處理器控制進行一系列更改。

為了實現所需的更大和更精確的力控制水平，恒波超聲波焊接技術的開發人員不僅考慮了氣動執行器的能力（仍然是行業標準），而且還考慮了伺服控制和技術的快速發展能力。

他們的解決方案是新的機電驅動系統，最近在艾默生的 Branson GSX 焊機中引入。這種新型焊接平臺及其先進的驅動系統的一個關鍵屬性是在整個焊接過程中顯著提高精確度和響應性的力控制。下壓力對于保持喇叭/零件接觸并確保超聲波能量平穩、有效地傳輸到配合零件中是必要的。更快、更準確地管理下壓力對焊接質量具有重要意義。

焊接力控制的作用

對于一組給定的焊接參數，導致施加太小的力的力控制變化會減少配合表面的壓縮，減少塑料熔化所需的熱量，并導致焊接變冷或更弱。類似地，導致施加過大力的力變化會導致零件接頭或能量導向器變形、偏轉或斷裂，并且可能無法提供足夠的時間使正確的熔體流動和聚合物纏結發生。

在適當的時間施加適當的力會產生具有高度一致的特性和強度的優質焊縫。理想的力控制需要在塑料熔化后由致動器施加的鎖模力/下降速度的快速、動態變化。這種稱為“動態跟蹤”的調整使每個焊接周期能夠適應零件之間的差異和其他因素，例如塑料類型、接頭樣式和零件幾何形狀。

隨著力控制和動態跟蹤的速度和精度的提高，塑料焊縫的強度、質量和一致性也隨之提高。例如，部件焊縫的最強“拉力”來自受控的力分布，該分布允許完全和隨機的聚合物鏈纏結，使焊縫與母材一樣堅固（如圖 1 所示）。

圖 1：冷焊、弱焊和強焊中的聚合物鏈。

如圖 1 最右側的插圖所示，理想的力控制在熔化后幾毫秒內調整下壓力，允許聚合物鏈垂直延伸穿過零件界面，并在冷卻之前發生熔化和壓縮時在粘合線上相互纏繞。相比之下，以部分或沒有聚合物鏈纏結為特征的較弱焊接顯示聚合物鏈平行于粘合線重新組裝，而不會在零件界面上纏結。中心焊縫顯示了力控制不足的影響，而左側的“冷”焊縫可能是由于焊接時間太短或下壓力過大造成的。

更一致和更完整的聚合物鏈纏結和更強的焊接是力控制技術改進的直接結果。通過非常迅速地平衡很小的力變化，GSX 焊機中的過程控制和執行器保持更一致的焊頭與零件的接觸，并使焊接參數能夠更準確、更溫和地執行。因此，即使對于難以焊接的形狀和小或精密零件，它也可以提供卓越的焊接質量和更高的產量，其特點是焊縫塌陷深度均勻一致，飛邊或零件標記最少。

改進力控制的結果

在一系列實驗室測試和客戶試驗中，據報道，GSX-E1 焊機中的先進過程控制和機電執行器始終優于氣動焊機，使最新的超聲波焊接平臺能夠：

• 生產具有更一致和可重復的強度水平的焊接部件。在對相同零件的焊接性能進行頭對頭比較時，GSX-E1 與出色的氣動傳統焊機相匹配。結果表明，雖然兩名焊工都產生了牢固的焊縫，但 GSX-E1 能夠生產出具有更高平均拉力和更一致和可重復的斷裂力水平（例如，結果的標準偏差更低）以及物理特性的零件與母材的匹配度更高。

• 隨著零件到零件的熔化，在幾毫秒內改變焊接上的下壓力，從而對熱量的產生和散熱、焊接塌陷深度和焊接質量進行更精確的閉環控制。在另一個示例中，客戶評估了 GSX-E1 焊機的性能，當時其傳統焊機（氣動焊機）無法足夠快地改變焊接下壓力以避免在兩個聚碳酸酯部件之間的焊接區形成氣泡。結果是不可接受的廢零件水平?？蛻舭l現，Branson GSX-E1上的機電執行器和控制裝置可以更快，更精確地進行動作，消除了氣泡，產生了始終如一的高質量焊縫，同時減少了焊縫循環時間，峰值功率輸入和總焊接能耗。

• GSX-E1 跨多個焊工的可重復性。具有低焊接夾緊力 (~40N) 應用的客戶需要對其焊接部件進行扭矩測試規范，以在多個焊機之間保持 0.2Nm 和 0.65Nm 之間的嚴格扭矩值測試范圍。他們對 GSX-E1 焊機的試驗超出了要求，在 50 次生產質量焊接的運行中將扭矩值保持在大約 0.2 Nm 的標稱范圍內 - 這是客戶氣動超聲波焊機不可能實現的壯舉。

• 以出色的一致性完成具有挑戰性的零件焊接。GSX-E1     的力控制能力在涉及長、精密和薄壁零件的應用中也得到了驗證。在一個應用中，一位客戶使用具有競爭力的伺服驅動超聲波焊機，難以在具有非常薄 (~0.5 毫米) 塑料剪切接頭的零件上始終如一地生產具有高斷裂推力 (>80 磅) 的焊縫。使用 GSX-E1 進行的擴展生產試驗以每小時 500 個零件的速度工作，交付了 3,000 個零件，平均斷裂力為 152 磅（幾乎是客戶要求的兩倍）。此外，GSX-E1 生產出 100% 優質零件 - 零廢品 - 這是客戶使用具有競爭力的伺服驅動超聲波焊機或他們自己的氣動超聲波焊機無法實現的產量。

在另一個示例中，這一次涉及將帶有剪切接頭的細長（0.070 英寸壁厚）管遠場焊接到模制底座中，客戶能夠使用其傳統焊機產生堅固的焊縫，但有時會出現質量問題包括零件標記和不一致的焊接深度，從而導致飛邊。使用全新直觀的 Branson GSX 在不到 15 分鐘內完成焊接試驗，很快就解決了問題。其反應靈敏的過程控制和機電執行器可始終如一且平穩地提供焊接振幅，從而使零件沒有標記和飛邊，具有更高的平均拉力。

艾默生的新型 GSX 超聲波焊接平臺中內置的改進的力控制功能通常使 GSX 焊工能夠產生這些和類似的結果，同時與響應較低且精確的致動器的焊工相比，減少焊接周期時間、峰值功率輸入和總焊接能耗.