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超声波焊头有限元分析的重要性

2021-08-05 16:34
超声波的应用无处不在。在消费类/动力电池制造领域,应用超声波振动筛对电池涂覆颗粒进行超声细化;应用超声波金属焊接工艺对多层铜箔和铝箔进行焊接,电气线缆的线束焊接,功率半导体IGBT的引脚焊接;应用超声波塑料焊接工艺对轻量化电动车身上的面板、车灯和电子器件壳体焊接;应用超声波切割工艺,对橡胶、金属箔材、航空用的蜂窝材料进行光滑切割。在医疗行业制造领域,应用超声液体空化原理,对液体材料进行混合加速生化过程,以及利用超声波对血管进行切割等等。 不管以上哪一种应用,在机械和应用方面都离不开一类声学工具的使用——超声波焊头。

针对不同的应用,超声波焊头需要设计成各种形状。例如,在切橡胶中,焊头要设计成扁宽切刀;在塑料焊接时,焊头表面要做成和塑料件一致的形状;在金属焊接时,焊头表面要做成纹理状;在液体处理时,焊头要做成几倍半波长的圆棒状。焊头材料也不同,有铝、钛、钢材或者粉末冶金钢。 不管外形如何变化,不变的是焊头频率。你需要将不同形状焊头的固有频率设计成符合电箱和应用要求的使用频率,例如常见的15KHz、20KHz、30KHz或者40KHz。对于超声波焊头的设计,一个重要工作就是应用有限元分析进行固有模态分析和频率响应分析,确定超声波焊头尺寸、固有频率、振形、输出振幅大小和应力,从而评价焊头使用性能和寿命。

为了获得更精确的有限元分析结果,或者对焊头材料的进行质量控制,你需要对使用的焊头材料进行属性测量。常用的技术是利用基于冲击激励技术的仪器,对材料进行精确和无损检测,获得表征材料的弹性模量(E,G和泊松比)和阻尼。为了简化计算模型,在焊头有限元分析中忽略材料阻尼特性,也能够获得足够精确的计算结果。
超声波焊头有限元分析
图1 一种基于冲击激励技术的材料特性测量仪器
超声波焊头有限元分析
图2 超声波焊头有限元分析