超聲波換能器的結構是怎樣的?超聲波換能器由中央壓電陶瓷元件,前后金屬蓋板,預應力螺桿,電極片以及絕緣管組成。這種夾心換能器(亦稱:螺栓緊固型換能器)在負荷變化時產生穩定的超聲波,是獲得功率超聲波驅動源的最基本最主要的方法。
根據不同的設計,超聲波換能器的形狀主要有柱型(前后金屬蓋板直徑相同)、喇叭型(前蓋板直徑通過弧型過度縮小)、柱型中間有節等結構形狀。
超聲波換能器匹配和使用注意事項
超聲波換能器和超聲波電源、焊接模具良好配合形成了一臺完整的超聲波設備可以簡稱為匹配。由于匹配對整機性能的影響是決定性的,無論怎樣強調匹配的重要性都不為過。匹配最主要考慮的因素是換能器的電容量,其次是換能器的頻率。
需要強調的是,超聲波換能器本身不是一個能量發生器,它只是一個能量轉換器。是將電能轉換為聲能(機械能),在輸入(超聲波電源),輸出(變幅桿,模具)良好匹配的前提下,它可以轉換(輸出)很大的能量。
輸入匹配是指換能器與驅動電源的匹配,若輸出匹配好而輸入匹配不好,則表現為換能器無力,焊不牢。若輸出匹配不好而輸入匹配好,則換能器會過載,造成晶片錯位開裂,破碎,螺桿斷,鋁裂或燒電箱功率管。舉個例子,就像汽車在空擋狀態下猛踩油門,發動機肯定容易損壞的。
超聲波換能器的匹配
換能器與驅動電源的匹配主要有4個方面,即阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和頻率。如前所述因為陶瓷片是絕緣體,你幾乎可以理解為換能器是不通電的,它只是相當于一個電容器。要使換能器工作,實際上是通過驅動電路對它施加交流高電壓,讓換能器的電容充放電。壓電陶瓷片在交變電場的作用下做同步伸縮變形,形成了整個換能器的縱向振動,從而帶動變幅桿和模具振動。所以,若電容匹配不好,輕者是換能器無力,焊不牢;重者換能器發熱嚴重,燒電極片、燒電源的大功率管。我們的換能器產品附有產品性能參數表,給出了每個換能器的電容和頻率。驅動電源應該根據換能器的電容量,調整高壓變壓器,匹配電容板,峰化線圈,調頻線圈等的參數。由于電感和電容量的敏感性,功放板,扼流線圈及其他外圍電路對匹配也有影響。
而且隨著工作進行,換能器的溫度會升高,導致電容也會升高且變化量可能會超過50%,若不能將電容有效地匹配掉,就會造成回路中電流電壓相位差很大,功率因素很低,虛功高。看看電流很大,但換能器沒力,易發熱,且電源的功率器件也容易發熱損壞。一般換能器電極片(耳朵)振裂或燒掉很可能就是由此引起的。
頻率匹配同樣也非常重要。這首先是因為超聲換能器只能工作在他的諧振頻率點,所以驅動電源、變幅桿、焊接模具(工具頭)都應該在這個頻率下工作。一般而言,我們希望這個差別最大不超過±0.1kHz,能小一點就更好。我們強烈建議您配套焊接模具(焊頭)的頻率低于振動子頻率0.1kHz左右(小信號頻率)。也就是說,若原振動子小信號測量的頻率是14.85kHZ,則連上模具后再測頻率為14.75kHZ最為理想。同時就應考慮到,超聲波換能器接上變幅桿和模具頭后,系統的諧振頻率峰會變得很尖銳,也即帶寬很窄,機械品質因數很大,頻率偏移一點都會造成阻抗很大的增加。表現在驅動電源上就是電源(振幅表電功率)很大或過載保護。若剛好這時是空載調機,則很可能會造成晶片錯位,晶片裂或中心螺桿斷。
功率匹配和阻抗匹配主要是考慮到超聲波焊接系統是間隙式工作,負載變化極大,焊接時要有足夠的功率輸出,空載時要控制在最小振幅。否則,就像前面提到的,空載時輸入很大,則損壞換能器。滿載時功率上不去,焊不牢還是沒用的。
各部件裝配注意事項
超聲波振動系統的各個部件,如換能器、變幅桿、工具頭等主要部分是通過中心螺栓連接的。
1、檢查接觸面應平整光滑無傷痕,若有傷痕,用零號以上的金相砂紙輕輕打磨。要求既能將缺陷磨平,又不破壞接觸面的平面度。
2、用易揮發無腐蝕性的清潔劑清潔螺絲、螺孔和接觸面。
3、徹底清潔螺絲、螺孔和接觸面。
4、所有連接螺孔應垂直于接觸面。
5、擰緊前在接觸面上涂薄薄一層硅脂(或黃油和凡士林),注意不要將硅脂涂到連接螺絲及螺孔上。
6、小心地將二個部件擰緊。根據連接螺絲規格的不同,控制合適的擰緊力矩。在可能的情況下,應擰的適當緊一點。
7、若重新松開結合面后應該看不到有任何傷痕。
8、用手摸振動系統振幅均勻,無怪聲,無局部嚴重發熱。
9、工作一段時間后重新送開結合面應沒有氧化或燒蝕痕跡,否則就說明此處接觸不好,超聲波能量在這里損失嚴重。
換能器的使用溫度
換能器使用時會發熱,這主要是由三個原因引起的。其一是被焊工件會發熱或被超聲波處理的物質會發熱,或模具(工具頭)、變幅桿長時間工作會發熱,這些熱量都會傳遞到換能器上。其二是換能器本身的功率損耗。既然做不到能量轉換效率100%,損耗的那部分能量必然轉換成熱量。溫升會導致換能器參數變化,逐漸偏移最佳匹配狀態,更嚴重的是溫升會導致壓電陶瓷晶片性能的劣化。這反過來又促使換能器工作狀態更壞,更快地升溫,這是一個惡性循環。所以我們必須給以換能器良好的冷卻條件,一般是常溫風冷;如有必要,也可采用冷風風冷。在正常情況下,這兩點引起的溫升也是正常的,在正常的冷卻條件下,不會有大的問題。
在實踐中我們發現,還有第三個原因,就是客戶在使用時沒能將換能器與驅動電源匹配到最佳工作狀態,這引起的發熱是很大的,而且是不可控的,會產生嚴重的后果。同時溫度高了,鋁材的機械強度就急劇下降,在大功率的作用下,開裂就是必然的了。明明是好的東西,由于使用不當造成損壞,實在是太可惜了。我公司有很大的損失,但貴公司的損失更大。所以,我們很希望能和貴公司一起,共同努力,提高超聲波的應用技術水平。
根據國內外的經驗,換能器的溫度在任何時候都絕對不能超過攝氏85℃。我們會在換能器上貼有一次性不可逆的溫度感應貼片,只要換能器溫度超過85℃,溫度感應貼片就會永久地變色,這就提醒你換能器使用還存在一些問題,應該全面地查找一下問題的原因,若不及時改進問題極有可能導致超聲波機械損壞。客戶請經常測量換能器溫度,并及時檢查感溫貼片顏色。