在超声波塑料焊接中，有三个工艺变量直接影响焊接品质：幅度，持续时间和力。
幅度长期以来通过频率选择，喇叭和增压设计来控制，以及对换能器的电气输入的调节。
但是，对其他两个变量，力和时间的控制，已经有了相当大的发展。在过去，焊接时间只能通过设定特定的焊接时间来控制。力只能通过调节气缸中的气压来控制。
伺服驱动的超声波焊机的出现已经改变了这一切。通过负载电池，编码器和其他传感器的反馈，伺服驱动焊工在加入过程的各个方面提供了非凡的命令。工程师现在可以监控和控制RAM力，RAM速度和焊接距离。
为了便于过程优化，这些机器可以以可以轻松导入Excel或Minitab的格式导出焊接数据以进行分析。由发电机（例如图形或循环信息）产生的数据对于过程优化和故障排除也是有用的。
伺服驱动的超声波焊机提供高级控制功能，从根本上与传统设备不同。我们最近完成了深入的研究来识别和衡量这些新可用的设置如何影响焊接质量。这些结果可用于加快临界组件的过程优化。
近年来，在伺服驱动的超声波焊机上进行了许多研究。多项研究表明，伺服驱动的焊接器产生比具有气动焊机生产的焊缝更强的焊缝。每项研究都证明了伺服驱动焊机的益处在过程一致性和性能方面。但是，没有人调查了可用的全系列功能，只提供小窗口进入了这款新设备的能力。
距离控制
伺服驱动的焊接器提供距离部分塌陷距离的优异重复性。利用气动系统，空气如何逸出气缸的速度有限制，防止速度和限制距离控制的突然变化。Dukane的伺服驱动焊机可以加速到每秒最高1,270毫米的平方，允许在焊缝期间几乎瞬时速度换档并保持阶段。
初步研究表明，伺服焊机可以在测量的塌陷距离中达到1.1％的标准偏差，而气动焊机则与3.9％相比。Value Plastics Inc.是一种基于科罗拉多州的科罗拉多州的精密模制耦合器和用于医疗器械部件的组件制造商，已经能够使用我们的伺服驱动焊机在生产中实现一致的坍塌距离（标准偏差为0.9％）。
显然，伺服驱动的焊接器提供更好的重复性和精度。这种改进的一致性将是必不可少的，因为塑料组件变得更加复杂。
速度控制
即使在引进伺服驱动的焊接器之前，工程师也认识到了对速度控制的需求。一致的熔融率对粘合强度有直接影响。当喇叭以稳定的速度向下移动时，它产生稳定的熔体速率。反过来，又产生均匀的分子结构和更强的焊缝。精确的速度控制已被证明是在少于理想情况下焊接的巨大辅助。例如，伺服焊机可以在接头或能源导演中存在润滑脂时，产生比气动焊机更强的粘合剂。
过去，供应商已经努力与气动系统实现一致的速度控制。然而，这些努力一直是徒劳的。根本无法通过气动焊机获得精确的速度控制。通过直接控制速度，servo-driven焊工是一个明显的改进。
使用伺服驱动焊机的研究表明，焊接速度直接与焊接强度相关。在俄亥俄州立大学(The Ohio State University)的一项研究中，研究人员表明，通过使用定义的速度曲线，在熔体开始时速度较慢，而在焊缝中间和末端速度较快，可以在更少的焊接时间和更少的表面标记的情况下提高强度。
Dukane开发了一种新的焊接控制，以在折叠接头之前启动塑料的熔化。称为熔体检测，此功能允许按键与部件接触并打开超声振动，没有垂直移动，直到检测到压力下降。这表明塑料已经开始熔化和焊接已经开始。
设计测试部件
进行我们的研究，Dukane创建了一个新的标准测试部分，工业标准测试部分（ISTEP）。以前的实验表明，标准塑料I光束测试部件易于经过翘曲和水槽，这使得一致的测量难以实现。为了真正测试伺服驱动焊接器的功能，我们需要更精确的测试部分。
ISTEP是开发的，以便于精确的高度测量和一致的拉动测试结果。其圆形设计可防止“拉链”，其中I梁测试部件的一侧首先裂缝，导致对剩余焊缝的剥离效果。由于剥离强度小于超声焊缝的拉力，因此这导致了更低的准确性和人工减少的拉动测试值。
此外，ISTEP的模具设计甚至填充。这可以防止翘曲和沉降标记，并确保一致的壁厚。
该模具设计还包括一个插入物，以允许成型的无限数量的接头设计。该模具已经用于生产一个剪切接头，一个对接接头与60度的能源总监，和一个对接接头与90度的能源总监。然而，任何关节设计都可以轻松快速地实现。对于本研究中的所有组件，使用了带有90度能量指向器的对接接头。
ISTeP允许通过管口进行拉力测试、压力测试，并在焊接前和焊接后测量部分高度，以确定实际坍塌距离。
在我们可以测试我们的伺服驱动的超声波焊机的功能之前，我们首先必须确定新的ISTEP是否比I-Beam零件更好，以用于测试目的。为此，我们比较了四个焊接设置。在所有四个中，触发力是250牛顿。焊接距离为0.25或0.3毫米。焊接速度为每秒2或10毫米。幅度为90％或100％。熔体检测设定为5％或10％。保持距离为0.05毫米;保持速度为每秒5或12.7毫米;并且保持时间为0.5秒。
测量焊接前后零件高度。由于工字钢部件没有自定位，在焊接前使用夹具进行这些高度测量。
在所有的实验中，焊缝强度都是用精度为±2.5磅的拉力测试仪测量的。工具是专门为每个零件设计的。
在所有焊接设置中，ISTEP零件显示出折叠距离和拉力的结果更加一致。另外，I-梁部件的塌陷距离测量的标准偏差变得更加一致，在实践之后，表明它更依赖于操作员技巧而不是ISTEP部件的测量。
仪表R＆R
在完成伺服焊机研究之前，还有必要进行规范的可重复性和可重复性研究，以确保我们的部件测量手段可以产生足够一致的结果。在低，标称和高焊接环境下焊接十个部件。（这些设置也用于伺服焊机研究。）结果使用Minitab解释。
在低设置下，触发力是100牛顿;焊缝距离0.25毫米;焊接速度为1毫米/秒;振幅为80%;熔体检测设置为0;保持距离为0;保持速度为每秒1毫米;保持时间是0。
在名义上，触发力为250牛顿;焊接距离为0.3毫米;焊接速度为每秒2毫米;幅度为90％;熔体检测设定为5％;保持距离为0.05毫米;保持速度为每秒3毫米;并且保持时间为0.5秒。
在高温下，触发力为400牛顿;焊接距离为0.35毫米;焊接速度为每秒3毫米;幅度为100％;熔体检测设定为10％;保持距离为0.1毫米;保持速度为每秒5毫米;并且保持时间为1秒钟。
测量R&R研究进行了两次测试。在第一次测试中，在三个操作者设定的每个焊接参数下测试了10个焊缝。在此之后，对拉力测试夹具进行了一些更改，以提高一致性。第二次只使用了一名操作员，之后他独立完成了伺服焊机研究的整个运行。
第一次运行的结果显示焊接集之间的良好区别，验证测试设备的可重复性。此外，所有三个运营商几乎都产生了相同的结果，验证了再现性。
实验设计
为了更好地使用伺服驱动的超声波焊机，重要的是要了解每个参数如何影响焊接质量。Minitab用于开发实验（DOE）的设计并进行分析。
为每个参数集的18个样本完成了72个运行，总共1,296个样本。在完成任何测量之前，将整个组由一个操作员焊接。完成焊接后，相同的操作员进行所有拉动测试。
具有运行IQ Explorer II的HMI的Dukane伺服驱动的超声波焊机用于焊接零件。焊工配有平面，高增益角。使用简单的液滴式夹具来保持部件。
完成完整的DOE后，对焊接速度对焊接质量的影响进行后续实验。选择焊接速度以提供更仔细的看该参数在为DOE选择的范围内和较慢的速度效果。其他参数保持在标称设置。
Minitab分析了完整的DOE结果，展示了一些令人兴奋的结果。具有最大焊接强度效果的三个焊接参数是焊接速度，焊接距离和熔体检测百分比。这特别有趣，因为精确的焊接速度和焊接距离控制是伺服驱动焊机的标志。此外，熔体检测特征是Dukane超声波伺服焊机的特权。
分析表明，降低焊接速度、增加焊接距离、提高熔体检测率均能提高焊接质量。
令人惊讶的是，这些焊接参数之间几乎没有相互作用。但是，在这些参数中，在这个选择的值集之外可能有一些交互。
进行后续实验以仔细看看焊接速度对焊接强度的影响。显着较慢的焊接速度导致焊接强度的焊接强度结果较大，即使在标称焊接距离和选择该测试的熔体检测水平。
结论
这些实验产生了几种重要发现。首先，Dukane的新ISTEP设计与传统的I光束设计提供了显着的优势。ISTEP零件允许更准确的测量，这可以帮助开发用于关键和精确应用的过程。
其次，我们表明，为该部件开发的拉动试验设备可以提供一致的焊接强度分析结果。
但也许最令人兴奋的发现是焊接速度，焊接距离和熔体检测百分比以焊接强度的重要性。焊接速度和焊接距离各自通过伺服驱动的焊接器精确控制，我们的研究表明为什么这种能力对于关键组件非常重要。
Melt-Detect是Dukane公司的Melt-Match技术的一个组成部分，该技术允许焊工在检测到接触部件后无需移动就能打开超声波能量。然后焊工在这个位置等待，直到检测到力的下降，这表明熔化已经开始。meltdown - detect可以通过编程来定义在开始向下运动之前，在触发点以下必须观察到的力下降的百分比。研究表明，这一特征为提高焊缝强度提供了一种关键的调节手段。
最后，详细研究表明，在非常慢的焊接速度下焊接的能力允许实现更大的焊接强度。
编者注：帕克·汉蒂宾公司的Mike Devries和Bob Aldaz，Loc Nguyen和Dukane的Ken Holt也有助于此功能。Miranda Marcus不再与Dukane。有关伺服驱动超声波焊机的更多信息，请联系Michael Johnston，630-797-4902。
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