正确的焊接接头设计是优化超声塑性焊接工艺的重要因素之一。要焊接的零件往往在接头界面处有一个小的初始接触，以集中超声波能量，引起熔化。
对于许多应用，这种小的接触面积是通过能量控制器（ED）来实现的，ED是一种在其中一个零件的表面上模制的尖锐三角形肋。由于ED设计用于提供较小的尖端接触区域，因此其尺寸和形状，或者更确切地说，尖端的锋利度、圆度或平整度是产生良好焊缝的关键因素。ED的几何一致性，无论是在单个零件内还是在零件对零件的基础上，都会显著影响工艺重复性、接头质量和焊接强度。
在大容量、多腔成型操作中保持ED的尺寸和形状一致是一个持续的挑战。不同型腔的尺寸变化和成型过程中的变化总是存在的。ED的尖端总是有一些圆，因为它是不可能塑造一个完美的尖。
导致ED形状不一致的主要原因是不同型腔加工中不可避免的差异；空腔排气问题；孔洞中的碎屑堆积；以及刀具和成型设备的老化。随着对零件公差的要求越来越严格，这些因素导致注塑机的质量保证和维护成本增加。
确保清晰的ED细节也会增加模具制造的费用。为了使它们尽可能锋利，电火花加工被使用，这增加了额外的工程，设置，和加工步骤的模具制造过程。
现代超声波焊接设备的精密和准确性保证了焊接过程的高度可重复性。然而，零件之间的尺寸和形状的变化对保持焊接一致性、美学和功能性能提出了挑战。对于医疗设备、电子产品和汽车零部件的制造商来说，更强大的ED设计消除了这种连接过程中的可变性，将有助于满足质量要求和提高装配线性能。
实验
圆形能源总监的角色更容易塑造得更加一致。这种模具的制造成本也会更低。但是圆形的能量导板能使超声波焊接效果更好吗?
我们使用工业标准测试部件(ISTeP)进行了一系列实验，比较了圆形和尖锐的EDs的性能。(我们开发了ISTeP，为超声焊接提供了可改变接头设计的试件。)另一个目标是进一步研究伺服驱动超声焊机的过程控制能力，以改善焊接工艺。我们还试图了解焊接强度变化的来源，并找到控制和消除它们的方法。
我们希望开发一种工艺，该工艺能够为ED设计产生最坚固、最可重复的焊缝，并基于对焊工图形输出和焊缝区域微观特征的分析，了解是什么使焊缝坚固。
在我们的实验中，我们使用了具有尖锐ED（90度角）和半圆形ED（0.7毫米半径）的ISTeP零件。零件由Lexan 121R聚碳酸酯模制而成。
这些部件是用一台Dukane 30千赫兹，1800瓦的IQ伺服超声波焊机焊接的，该焊机采用了熔配技术和运行IQ Explorer II软件的接口，用于数据收集和分析。工具是一个平面，高增益喇叭和一个定制的drop-in风格的夹具。
在我们的实验中，我们充分利用了焊机的先进控制功能，包括熔化检测，它在焊接开始后引导压力机保持其在组件上的位置。在检测到力下降之前，压力机不会继续向下移动。力的下降表明存在初始熔融层。通过调节焊接速度来控制材料位移速率。这些功能与气动焊机的功能有很大不同。
对于拉力测试，我们使用了comten公司的变速试验台
工业与22,250牛顿容量和精度的±0.5%。
建立流程设置
我们对锐利和圆形零件进行了全因子实验设计（DOE）。该研究的初始参数基于我们在2012年进行的一项研究（见“伺服驱动超声波焊接的好处，”
大会,2013年11月)。
全因子DOE检查一组变量的所有可能组合。这类研究需要更多的试验，比其他设计更昂贵和劳动密集型，但它提供了一个更全面的过程变量的评估。
在实验的初始阶段，我们进行了一个三层次、三变量(3 × 3)的研究。三个变量分别是触发力、熔体检测和焊接速度。在早期的研究中，这些变量对焊接强度的影响最大。
焊接距离设置为恒定值0.254毫米两个部分:一个是圆形ED, 0.4毫米高，一个是尖ED, 0.38毫米高。这将确保在测试过程中通过焊缝发生接头失效。样本量限制在6次重复，以保持实验在可控制的数量。通过拉伸试验对焊缝进行评估。破坏载荷为断裂时的最大拉伸力。
DOE结果
试验结果表明，在恒定振幅下，影响焊接强度的主要因素是焊接速度和触发力。焊缝速度对焊缝强度的影响最大，但触发力也有显著影响。较高的焊接强度与较低的焊接速度和较高的触发力有关，无论ED形状如何。在这些初步试验中，熔体检测值的影响不显著，将在进一步的试验中进行研究。
这些工艺参数对焊接强度一致性影响的相关数据在这一系列实验中值有限，因为每次试验的样品数量相对较少。然而，最初的DOE的目的不是确定ISTeP部件的“最佳”设置，而是通过利用伺服驱动超声焊机的功能，为两种类型的EDs接头的进一步工艺细化奠定基础和方向。
触发力的影响
根据试验结果，触发力对焊接强度的影响是显著的。在178到356牛顿的范围内，最高的焊接强度值与更高的触发力相关。随后的实验表明，400牛顿的触发力提高了两种类型ED测试结果的一致性。
尖锐的ED并没有被400牛顿的触发力损坏。为了确定，我们在施加触发力后用显微镜检查了零件，但没有启动焊接循环。在这些部位没有观察到ED损坏。
振幅的影响
焊接幅度对于在超声波焊接循环开始时启动在ED尖端的熔化的材料是至关重要的。由于ED设计用于集中超声能量，因此其尖端清晰度，圆度或平整度的形状 - 是良好关节的重要因素。这些几何特征以及材料的具体特征，决定了最佳焊接幅度。因此，识别圆形EDS的初始幅度范围并研究振幅设定对焊接强度的影响至关重要。
我们运行了一系列试验，其中振幅变化，而其他参数的其余部分保持恒定。结果表明，焊接强度随着幅度的增加而增加。最佳结果与最高值相关，36微米。
然而，在后期，当焊接速度进一步优化时，将振幅降低到32微米，可以产生更强和更一致的焊缝。
对于具有尖锐EDs的ISTeP部件，在所有的三个振幅水平(28、32和36微米)测试中都产生了一些非常强的焊缝，一些焊缝通过母材失效。然而，最高的平均失效载荷(计算5个零件的样品)记录在28微米。该振幅设置被用于后续的焊接速度优化实验。
圆形ED需要比尖头零件稍高的振幅来开始熔化。
焊接速度的影响
特别注意确定最佳焊接速度。我们的DOE结果和以往的研究表明，焊接速度是影响焊接强度的最关键因素之一。在试验的第一阶段，我们致力于在不完全破坏ED的情况下最大化焊缝强度。两种设计的焊缝位移均设置为0.254毫米。
最初，根据DOE的结果选择了一些恒定和异形焊接速度，并对每个设置使用5个样品进行测试。一旦我们确定了哪个焊接速度设置产生了最高强度的焊缝，样品数量就增加到20个，以评估工艺的一致性。最后，在最后一组试验中，将样本数增加到30，以确定最佳设置的性能。
对每个焊缝的力和距离图进行分析，并将其与焊缝强度相关联。通过对比与强焊缝和弱焊缝相关的图形，我们能够更好地理解如何控制材料熔化和位移在焊缝形成的不同阶段，以产生强焊缝。
还通过焊接区的微观表征评估焊接速度对焊接形成的影响。代表性焊缝是横截面的，使用显微镜检查和拍摄。
结果和观察
使用异形焊接速度实现强度和一致性的最佳结果，该焊接速度从在接合界面处形成初始熔体层后逐渐从0.25到0.4毫米的0.25到0.4毫米。
在力和距离图上可以看出，在力和距离图中可以看到低力在塑料中施加在力和距离图中的力。该阶段持续120至140毫秒，允许熔融传播和两种类型的熔体层的积累，并且也在配合部分中。这通过显微镜下观察到的熔体区域的形状是显而易见的。在工艺的后续阶段应用中等力产生稳定的线性位移率，同时防止在焊缝期间的过度材料位移。
稳定的熔化速度会产生均匀的分子结构和更强的焊缝。虽然这些焊缝记录的总坍塌(包括冷却时间)在0.274至0.279毫米之间，但对于优化焊缝速度剖面的焊缝，焊缝区微观表征表明，熔体形成了一个一致的层，扩散到两部分，沿着整个组装界面将它们融合成一个部分。
在典型的超声波焊接循环期间，大部分塑料熔化在ED主体中发生，其熔融材料形成键。如果焊接循环末端的总焊接行程（崩溃）小于ED高度，则ED不会完全熔化，这会影响焊接强度，焊接紧密性和外观。
在我们的试验中，冷却循环结束时的总焊缝塌陷被编程为显著小于ED高度，但该过程被编程为允许熔融材料通过界面传播，在两部分之间形成均匀的熔融层。这种均匀的熔化区延伸到两个部分，是这些焊缝高强度的主要来源。事实上，大量焊缝未能通过母材。
熔体检测的效果
通常，我们观察到，当其他工艺设置保持不变时，确认在连接部件的界面存在熔体层所必需的力减少的具体百分比对焊接强度没有明显的影响。
我们的实验包括四种熔体检测功能的设置:2%、5%、10%和“不熔体检测”。数据显示，在2%、5%和10%之间，平均故障负荷没有显著差异。焊接强度分别为5223牛顿、5032牛顿和5118牛顿。然而，在2%的设定下，结果的一致性更好:5.84% vs. 8.27%和9.53%。
当熔体检测功能被关闭时，焊缝强度显著下降(4585牛顿)和更高的标准偏差(14.82%)被记录下来。
与用熔体检测特征形成的焊接相比，这种焊缝的力图也显示出非常不同的熔融条件，而不管该值。这证明了控制界面中的初始熔体生成的益处。
圆形vs尖锐EDs
虽然略高振幅所需的轮EDs(32微米和28微米),焊接的平衡因素调查被发现有类似的影响焊接强度的设计。生产的焊接参数最强大、最一致的焊缝都是相同的设计:触发力为400牛顿，熔体检测为2%，焊接速度从0.25到0.4毫米每秒。注意，焊接距离限制在0.25毫米的两种类型的ED。
对于带有圆形ED的零件记录的最佳平均故障负载值比具有夏普ED的零件高出9％：4,766牛顿与5,223牛顿。焊接强度与圆形EDS也更加一致。对于圆形EDS的焊缝标准偏差为尖锐EDS的5.85％，5.59％。
对于圆形EDs的焊接强度和一致性的一个可能的解释是，与相同高度的90度ED相比，这种形状提供了更多的材料来形成粘结。
在分析力和距离图时，我们观察到，即使在相同的工艺设置下，圆形和尖锐的EDs在焊接周期中的熔化行为似乎是不同的。距离图，代表材料位移的速率，在这两种类型的电火花加工中几乎是相同的。然而，对于圆形电火花加工的零件，实现程序焊接速度和焊接距离所施加的力明显更低。
对这种现象的一种可能的解释是，体积较大的圆形ED在熔体检测阶段会在体内积聚更多的热量。这种额外的热量降低了熔融材料的粘度，从而降低了达到程序设定的速度所需的力。
结论
我们的性能评估证实，圆形ED的零件可以成功焊接，焊接强度和一致性匹配，甚至超过类似的90度ED零件。
除了振幅外，两种类型的电火花产生最强焊缝和最佳标准差值的参数是相似的。对于具有尖锐EDs的零件，振幅为28微米时效果最好，而对于具有圆形EDs的零件，振幅为32微米时效果最好。考虑到这两种类型的零件是由相同的材料制成的，振幅的差异是基于电火花圆尖端比尖尖端需要稍高的振幅来启动熔化。
考虑到圆ED设计的实施可以显著简化成型操作并提高零件一致性，圆ED代表了一种比锐ED更具吸引力的替代方案。
编者按：以下Dukane员工也参与了这项研究：Hardik Pathak，工具设计工程师；工程总监利奥·克林斯坦；Mike Luehr，应用实验室经理；首席机械工程师Paul Golko和高级应用工程师Kenneth Holt。
