超聲波焊頭有限元分析的重要性

2021-08-05 16:34

超聲波的應用無處不在。在消費類/動力電池製造領域，應用超聲波振動篩對電池塗覆顆粒進行超聲細化；應用超聲波金屬焊接工藝對多層銅箔和鋁箔進行焊接，電氣線纜的線束焊接，功率半導體IGBT的引腳焊接；應用超聲波塑料焊接工藝對輕量化電動車身上的麵板、車燈和電子器件殼體焊接；應用超聲波切割工藝，對橡膠、金屬箔材、航空用的蜂窩材料進行光滑切割。在醫療行業製造領域，應用超聲液體空化原理，對液體材料進行混合加速生化過程，以及利用超聲波對血管進行切割等等。不管以上哪一種應用，在機械和應用方麵都離不開一類聲學工具的使用——超聲波焊頭。

針對不同的應用，超聲波焊頭需要設計成各種形狀。例如，在切橡膠中，焊頭要設計成扁寬切刀；在塑料焊接時，焊頭表麵要做成和塑料件一致的形狀；在金屬焊接時，焊頭表麵要做成紋理狀；在液體處理時，焊頭要做成幾倍半波長的圓棒狀。焊頭材料也不同，有鋁、鈦、鋼材或者粉末冶金鋼。不管外形如何變化，不變的是焊頭頻率。你需要將不同形狀焊頭的固有頻率設計成符合電箱和應用要求的使用頻率，例如常見的15KHz、20KHz、30KHz或者40KHz。對於超聲波焊頭的設計，一個重要工作就是應用有限元分析進行固有模態分析和頻率響應分析，確定超聲波焊頭尺寸、固有頻率、振形、輸出振幅大小和應力，從而評價焊頭使用性能和壽命。

為了獲得更精確的有限元分析結果，或者對焊頭材料的進行質量控製，你需要對使用的焊頭材料進行屬性測量。常用的技術是利用基於衝擊激勵技術的儀器，對材料進行精確和無損檢測，獲得表征材料的彈性模量（E,G和泊鬆比）和阻尼。為了簡化計算模型，在焊頭有限元分析中忽略材料阻尼特性，也能夠獲得足夠精確的計算結果。