Sonotrode设计是超声焊接汽车组件成功的关键

超声波焊接在汽车工业中有着广泛的应用。应用范围从内部组件(侧门装饰，中控台)到发动机舱组件(汽缸盖，发动机舱盖)，到照明，过滤器和隔音泡沫。焊机可以立即操作，无需加热时间。循环时间短，能耗低。

为了使工艺有效，焊接工具，称为喇叭或超声电极，必须设计成适合的形状的零件，同时有效振动。在汽车行业尤其如此，因为材料混合和不对称的形状会使塑料零件的焊接变得很棘手。

Herrmann Ultrasonics在塑料接头方面有超过50年的经验，对超声电极的设计有一定的了解。

当需要粘合不同或困难的材料时，所有的连接技术都达到了极限，特别是当零件的形状不对称时。例如，对于热板焊接，这一挑战可能会导致温度分布不均匀。有些区域可能会变得太热而产生丝线;其他地区可能会保持寒冷，不会形成均匀的粘结。振动焊接时，需要在接头区域增加塑料。因此，在焊接过程中会产生大量的熔融物质。这种材料会被挤出关节，形成难看的粘合线。

超声波焊接在连接复杂的3d形状零件时也会受到这种物理限制。然而，如果通过使用有限元分析(FEA)正确地确定超声电极的尺寸，超声焊接提供了许多优点:

不均匀不对称的几何形状可以焊接。
精致的组件表面保持无痕迹。
短焊接周期在100 - 300毫秒之间。
定向能量输入保护敏感的电子元件。
不同类型的材料可以通过埋设焊接或粘合。
与其他连接过程相比，机器占地面积更小。
为了让工程师了解声极设计对成功焊接的重要性，本文考察了最近三种涉及汽车装配的应用。

机舱面板

在其中一个应用中，Herrmann的任务是为发动机舱焊接铝涂层隔热板。这种材料组合是致命的:铝涂层聚氨酯(PU)隔音垫必须粘在玻璃纤维增强聚丙烯(PP)面板上。如果这还不够挑战，还要焊接六个不同的部件。

这个应用程序对组件的永久和安全连接提出了真正的挑战。由于成本考虑和材料的组合，胶粘剂不起作用。夹紧元件或螺丝太危险，因为它们可能在电机操作时松动。其他热连接方法如激光焊接、红外焊接或振动焊接均不适用。

使用手持式超声波焊机进行的初步测试证明是阳性的。尽管中间有铝层，PU垫和注塑PP之间仍然可以形成紧密的连接。超声波振动可以穿透铝涂层并激发PP部分的分子。

接下来的任务变成了如何获得可重复的焊接结果，并确保客户对每个焊缝点至少50牛顿的抗拉强度要求。耐磨硬化钢被证明是制作声纳电极的合适材料。Herrmann的工程师确定了焊接点的位置，并设计了复杂的夹具，包括装夹系统和零件扫描传感器。

超声电极安装在六轴机器人的气动执行器上。设计了六种不同的夹具来匹配零件形状和支持焊接点。

装配在旋转分度表上进行。在两个位置，装配由两个机器人完成。在第三个位置，另一个机器人自动装卸零件。

通过预加载扩展和收缩超声波堆的气动气缸，每个焊缝点节省了宝贵的时间，最多可达1秒。预加载是指在机器人将焊接工具与焊接点接触之前，气缸已经通过智能气动系统展开。

日间运行灯

另一项应用涉及装配日间行车灯。一个透明的塑料透镜必须焊接到一个密封的塑料体上。复杂的3D形状和A级表面焊接是一个挑战。客户还需要一个成本效益高的系统，可以容纳多种车型的变体。

为了解决这个问题，我们开发了一种复合声极，它被分成两个部分:一个载体块声极和一些单独的旋入式尖端。每一个尖端都有不同的高度，以完全适合它的镜头。

为了保证正确的振动，在有限元分析的帮助下设计了载波声极，并对其频率、空转功率和振幅进行了调谐。此外，每个探针的设计、制造和调谐都像一个独立的声纳极。技巧包括各种干扰轮廓的特征。例如，一些技巧有裁剪来适应组件上凸起的字母。所有这些都会影响声纳极的振动方式。

为了确保针尖振动正确，他们在一个费时费力的手工过程中分别进行了测试和调整。在负载模拟下，激光测量完成的复合声极，并通过数控加工进行任何校正。特殊的软件可以测量多达100个点来创建振幅剖面。一旦校准，复合超声电极工作得很漂亮，并已多次出售。

为了组装各种型号，超声波系统的所有部件组成一个“快速更换工具框架”，该框架可以从主机上分离出来，并与另一个框架进行交换。在启动阶段，使用一台机器和多个模具框架进行装配。随着变量的增加，客户只需要购买额外的工装框架。成本密集型组件，如超声波发生器、控制和安全系统，可以与多个工具框架一起用于各种日间运行灯。