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超聲波焊頭有限元分析的重要性

2021-08-05 16:34
超聲波的應(yīng)用無處不在。在消費(fèi)類/動力電池制造領(lǐng)域，應(yīng)用超聲波振動篩對電池涂覆顆粒進(jìn)行超聲細(xì)化；應(yīng)用超聲波金屬焊接工藝對多層銅箔和鋁箔進(jìn)行焊接，電氣線纜的線束焊接，功率半導(dǎo)體IGBT的引腳焊接；應(yīng)用超聲波塑料焊接工藝對輕量化電動車身上的面板、車燈和電子器件殼體焊接；應(yīng)用超聲波切割工藝，對橡膠、金屬箔材、航空用的蜂窩材料進(jìn)行光滑切割。在醫(yī)療行業(yè)制造領(lǐng)域，應(yīng)用超聲液體空化原理，對液體材料進(jìn)行混合加速生化過程，以及利用超聲波對血管進(jìn)行切割等等。 不管以上哪一種應(yīng)用，在機(jī)械和應(yīng)用方面都離不開一類聲學(xué)工具的使用——超聲波焊頭。

針對不同的應(yīng)用，超聲波焊頭需要設(shè)計(jì)成各種形狀。例如，在切橡膠中，焊頭要設(shè)計(jì)成扁寬切刀；在塑料焊接時，焊頭表面要做成和塑料件一致的形狀；在金屬焊接時，焊頭表面要做成紋理狀；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(shè)計(jì)成符合電箱和應(yīng)用要求的使用頻率，例如常見的15KHz、20KHz、30KHz或者40KHz。對于超聲波焊頭的設(shè)計(jì)，一個重要工作就是應(yīng)用有限元分析進(jìn)行固有模態(tài)分析和頻率響應(yīng)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(yīng)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(jié)果，或者對焊頭材料的進(jìn)行質(zhì)量控制，你需要對使用的焊頭材料進(jìn)行屬性測量。常用的技術(shù)是利用基于沖擊激勵技術(shù)的儀器，對材料進(jìn)行精確和無損檢測，獲得表征材料的彈性模量（E,G和泊松比）和阻尼。為了簡化計(jì)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(jì)算結(jié)果。
超聲波焊頭有限元分析
圖1 一種基于沖擊激勵技術(shù)的材料特性測量儀器
超聲波焊頭有限元分析
圖2 超聲波焊頭有限元分析