超声波塑料焊接中的噪音与控制一、引言超声波塑料焊接由于快捷、卫生、强度较高、控制方便而得到人们的广泛重视。通常应用的超声波塑料焊机工作频率一般为20kHz，对于小件及精密零件焊接也有采用30~40kHz,75kHz,300kHz等。尽管这些焊机的工作频率己经超过了人耳可听阈（16kHz)，但由于超声波焊接是利用高频振动来产热，这种振动势必造成低频振动的激励和谐音的产生，从而引发了人耳可听的噪音存在。研究表明，这些高频及低频振动（声音）有时会引起头疼、疲劳、甚至造成眩晕、恶心、呕吐以及听力下降等不良反应。本文综合实际的焊接研究工作探究了超声波塑料焊接过程中噪音产生的主要原因及可能的防止措施。二、超声波塑料焊机超声波焊接利用高频振动来获得焊接效应，那么超声的产生、传播、放大、聚焦所有声波传递过程中，所有不当的地方均会产生噪音。图1是超声波焊机的原理简图，焊机基本由电控系统、加压系统以及声学系统等组成。噪音的产生，主要集中在声学系统，还有一部分来源于加压系统。声学系统主要有换能器、变幅杆和焊头组成，换能器将电能转换成机械能、然后变幅杆放大，最后通过与焊件几何形状匹配的焊头传递给焊件。上述的机械能在焊件的接头处转化为热能，从而熔化塑料，在压力作用下形成接头。在这一系列过程中，声波传输在焊件处并没有停止，还要通过底座，所有这些声波传输都有可能是噪音的来源。三、噪音的产生1、声学系统自身匹配声学系统（换能器、变幅杆、焊头）三者通过螺栓连接，要求谐振工作且阻抗匹配。但由于声学设计的粗糙性，要达到完全的阻抗匹配很难实现。目前最佳的设计是理论加经验。当三者不匹配时，在界面上将产生能量的耗散及振动的不一致性，从而产生噪音。另外在实际的设计过程中，考虑到振幅的变换、阻抗匹配，有时三者的连接尺寸不尽相同（不等径)，暴露的界面将作为一种噪音源，向空中辐射超声能量。2、声学系统的夹持对于超声焊接，焊接压力是一个必需且非常重要的工艺参数。首先必须有压力才能造成工件的接触和声波的耦合，更主要的是压力决定着产热、接头的强度和应力状态。一般焊接压力由机架提供，与声学系统的切入点是在声学系统的振动节点上。一般选择在变幅杆上，此点理论上振动速度为0。然而当设计不当或在焊接过程中声学系统频率随工况变化时，变幅杆的节点将会发生飘移。此时夹持点的振动速度不等于0。这样一方而降低了声传输效率，另一方而由于高频振动由夹持点导入到机架中，激励起相关的振动，从而引发噪音出现。3、声学系统尺寸焊头的作用是将声能有效地耦合进入所焊工件，因此它的形状与尺寸除与焊机使用频率直接相关外，还与工件上表而的几何尺寸关系密切如电话机手柄的焊接、大环的焊接，这些焊接所需要的焊头尺寸一般均较大（大于波长的1/4)。这时在纵波传播过程中，横向振动必然被激发出来，从而产生混合振动。这种振动极易产生噪音。有时大环缝焊接的中空焊头发出的空鸣也是噪音一大来源。4、工件的设计工件的空间形状也影响着噪音的产生。研究发现，在焊接过程中，在超声传播的路径上若有中断现象(如图2)，将会使焊件局部产生自由端面振动，这极利于噪音的产生、另外对于薄壁件尤其是远场焊，即焊头与接头位置相距较远)，接头处不仅有纵向振动，而目还存在较大的横向位移，激发出其它谐波，带来噪音。5、机架底座与工件固定底座也是焊机中较为关键的部件，它的好坏直接影响到焊机的效率，同时也影响着噪音水平、在焊接过程中工件有时会发生相对滑动，这不仅影响了焊件的外观质量，而且还引起较大的噪音，因此需要较好的固定装置和弹性缓冲。尤其是对于难焊材料、使用焊接功率较大的情况下，这种振动噪音更加明显。四、噪音的防止噪音来源于焊机声学系统和焊件，因此为减小噪音污染需要合理的声学系统设计和接头形式设计。对于声学系统，一方而夹持点需要弹性固定，同时声学系统各部件以及各部件间需要平滑过渡;；另一方而尽量减小声学系统谐振频率的变化。对于大尺寸焊头，需要在焊头上开凿纵向狭缝，以减小横向振动带来的噪音。对于焊件，尽量减少远场焊的接头形式，同时注意尽量避免在声传输通道上出现工艺孔等...
