超聲波塑料焊接中的噪音與控制

1、超聲波塑料焊接中的噪音與控制一、引言超聲波塑料焊接由于快捷、衛(wèi)生、強度較高、控制方便而得到人們的廣泛重視。通常應(yīng)用的超聲波塑料焊機工作頻率一般為20kHz,對于小件及精密零件焊接也有采用3040kHz,75kHz,300kHz等。盡管這些焊機的工作頻率己經(jīng)超過了人耳可聽閾（16kHz）,但由于超聲波焊接是利用高頻振動來產(chǎn)熱，這種振動勢必造成低頻振動的激勵和諧音的產(chǎn)生，從而引發(fā)了人耳可聽的噪音存在。研究表明，這些高頻及低頻振動（聲音）有時會引起頭疼、疲勞、甚至造成眩暈、惡心、嘔吐以及聽力下降等不良反應(yīng)。本文綜合實際的焊接研究工作探究了超聲波塑料焊接過程中噪音產(chǎn)生的主要原因及可能的防止措施。二、超

2、聲波塑料焊機超聲波焊接利用高頻振動來獲得焊接效應(yīng)，那么超聲的產(chǎn)生、傳播、放大、聚焦所有聲波傳遞過程中，所有不當?shù)牡胤骄鶗a(chǎn)生噪音。圖1是超聲波焊機的原理簡圖，焊機基本由電控系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)以及聲學系統(tǒng)等組成。噪音的產(chǎn)生，主要集中在聲學系統(tǒng)，還有一部分來源于加壓系統(tǒng)。聲學系統(tǒng)主要有換能器、變幅桿和焊頭組成，換能器將電能轉(zhuǎn)換成機械能、然后變幅桿放大，最后通過與焊件幾何形狀匹配的焊頭傳遞給焊件。上述的機械能在焊件的接頭處轉(zhuǎn)化為熱能，從而熔化塑料，在壓力作用下形成接頭。在這一系列過程中，聲波傳輸在焊件處并沒有停止，還要通過底座，所有這些聲波傳輸都有可能是噪音的來源。電控系統(tǒng)聲學系統(tǒng)加壓系統(tǒng)圖1超聲波塑料

3、焊機及聲學系統(tǒng)三、噪音的產(chǎn)生1、聲學系統(tǒng)自身匹配聲學系統(tǒng)（換能器、變幅桿、焊頭）三者通過螺栓連接，要求諧振工作且阻抗匹配。但由于聲學設(shè)計的粗糙性，要達到完全的阻抗匹配很難實現(xiàn)。目前最佳的設(shè)計是理論加經(jīng)驗。當三者不匹配時，在界面上將產(chǎn)生能量的耗散及振動的不一致性，從而產(chǎn)生噪音。另外在實際的設(shè)計過程中，考慮到振幅的變換、阻抗匹配，有時三者的連接尺寸不盡相同（不等徑），暴露的界面將作為一種噪音源，向空中輻射超聲能量。2、聲學系統(tǒng)的夾持對于超聲焊接，焊接壓力是一個必需且非常重要的工藝參數(shù)。首先必須有壓力才能造成工件的接觸和聲波的耦合，更主要的是壓力決定著產(chǎn)熱、接頭的強度和應(yīng)力狀態(tài)。一般焊接壓力由機架提

4、供，與聲學系統(tǒng)的切入點是在聲學系統(tǒng)的振動節(jié)點上。一般選擇在變幅桿上，此點理論上振動速度為0。然而當設(shè)計不當或在焊接過程中聲學系統(tǒng)頻率隨工況變化時，變幅桿的節(jié)點將會發(fā)生飄移。此時夾持點的振動速度不等于0。這樣一方而降低了聲傳輸效率，另一方而由于高頻振動由夾持點導入到機架中，激勵起相關(guān)的振動，從而引發(fā)噪音出現(xiàn)。3、聲學系統(tǒng)尺寸焊頭的作用是將聲能有效地耦合進入所焊工件，因此它的形狀與尺寸除與焊機使用頻率直接相關(guān)外，還與工件上表而的幾何尺寸關(guān)系密切。如電話機手柄的焊接、大環(huán)的焊接，這些焊接所需要的焊頭尺寸一般均較大（大于波長的1/4）。這時在縱波傳播過程中，橫向振動必然被激發(fā)出來，從而產(chǎn)生混合振動。這

5、種振動極易產(chǎn)生噪音。有時大環(huán)縫焊接的中空焊頭發(fā)出的空鳴也是噪音一大來源。4、工件的設(shè)計工件的空間形狀也影響著噪音的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中，在超聲傳播的路徑上若有中斷現(xiàn)象（如圖2）,將會使焊件局部產(chǎn)生自由端面振動，這極利于噪音的產(chǎn)生、另外對于薄壁件尤其是遠場焊，即焊頭與接頭位置相距較遠），接頭處不僅有縱向振動，而目還存在較大的橫向位移，激發(fā)出其它諧波，帶來噪音。圖2聲傳播中斷誘發(fā)噪音5、機架底座與工件固定底座也是焊機中較為關(guān)鍵的部件，它的好壞直接影響到焊機的效率，同時也影響著噪音水平、在焊接過程中工件有時會發(fā)生相對滑動，這不僅影響了焊件的外觀質(zhì)量，而且還引起較大的噪音，因此需要較好的固定裝

6、置和彈性緩沖。尤其是對于難焊材料、使用焊接功率較大的情況下，這種振動噪音更加明顯。四、噪音的防止噪音來源于焊機聲學系統(tǒng)和焊件，因此為減小噪音污染需要合理的聲學系統(tǒng)設(shè)計和接頭形式設(shè)計。對于聲學系統(tǒng)，一方而夾持點需要彈性固定，同時聲學系統(tǒng)各部件以及各部件間需要平滑過渡；另一方而盡量減小聲學系統(tǒng)諧振頻率的變化。對于大尺寸焊頭，需要在焊頭上開鑿縱向狹縫，以減小橫向振動帶來的噪音。對于焊件，盡量減少遠場焊的接頭形式，同時注意盡量避免在聲傳輸通道上出現(xiàn)工藝孔等。實際上最有效的減小噪音的辦法是將焊機全封閉或焊接區(qū)封閉，這樣可以將噪音降低幾十分貝。超聲波焊接是一種有效的焊接方法，但噪音問題應(yīng)該引起重視。噪音的

7、產(chǎn)生主要由于聲學系統(tǒng)及焊件設(shè)計不合理造成的，因此對于聲學系統(tǒng)應(yīng)盡量采用圓滑過渡、彈性夾持、大焊頭開槽等措施來減小聲能向外輻射發(fā)散。對于工件應(yīng)注意盡量避免聲波中斷或遠場焊情況。在工作現(xiàn)場也可以通過焊機封閉或聲屏蔽的方法來減小噪音污染。制噪聲的根本途徑是對聲源進行控制，控制聲源的有效方法是降低輻射聲源功率。在工礦企業(yè)中，經(jīng)?？梢杂龅礁鞣N類型的噪聲源，他們產(chǎn)生噪聲的機理各不相同，所采用的噪聲控制技術(shù)也不相同。下面根據(jù)產(chǎn)生噪聲的物理性質(zhì)不同來分別介紹其控制技術(shù)。1 .機械噪聲控制技術(shù)機械噪聲是由各種機械部件在外力激發(fā)下產(chǎn)生振動或相互撞擊而產(chǎn)生的。控制機械噪聲的主要方法有：提高旋轉(zhuǎn)運動部件的平衡精度，減

8、少旋轉(zhuǎn)運動部件的周期性激發(fā)力；在固體零部件接觸面上，增加特性阻抗不同的彈性材料，減少固體傳聲；在振動較大的零部件上安裝減振器，以隔離振動，減少噪聲傳遞；采用內(nèi)損耗系數(shù)較高的材料制作機械設(shè)備中噪聲較大的零部件，或在振動部件的表面附加阻尼，降低其聲輻射效率；提高運動部件的加工精度和光潔度，選擇合適的工差配合，控制運動部件之間的間隙大小，降低運動部件的振動振幅，采取足夠的潤滑減少摩擦力；避免運動部件的沖擊和碰撞，降低撞擊部件之間的撞擊力和速度，延長撞擊部件之間的撞擊時間；用焊接代替鐘接，用滾壓機和風壓機矯正鋼板代替敲打，用無聲液壓或擠壓代替沖壓，可用壓力機代替鍛錘。2 .氣流噪聲的控制氣流噪聲是由于

9、氣流流動過程中的相互作用或氣流和固體介質(zhì)之間的作用產(chǎn)生的，控制氣流噪聲的主要方法是：選擇合適的空氣動力機械設(shè)計參數(shù)，減小氣流脈動，減小周期f4激發(fā)力；降低氣流速度，減少氣流壓力突變，以降低湍流噪聲；降低高壓氣體排放壓力和速度；安裝合適的消聲器。3 .電磁噪聲的控制電磁噪聲主要是由交替變化的電磁場激發(fā)金屬零部件和空氣作周期性振動而產(chǎn)生的。降低電動機噪聲的主要措施有：合理的選擇溝本f數(shù)和級數(shù)；在轉(zhuǎn)子溝槽中充填一些環(huán)氧樹脂材料，以降低振動；增加定子的剛性；提高電源穩(wěn)定性；提高制造和裝配精度。降低變壓器電磁噪聲的主要措施有：減小磁力線密度；選擇低磁性硅鋼材料；合理選鐵心結(jié)構(gòu)，鐵心間隙充填樹脂性材料，硅

10、鋼片之間采用樹脂材料粘貼。（二）傳播途徑控制技術(shù)通常由于某種技術(shù)和經(jīng)濟上的原因，從聲源上控制噪聲難以實現(xiàn)，這時就要從傳播途徑上考慮降噪措施。具體采取的方法有：1 .吸聲降噪當聲波入射到物體表面時，部分入射聲波能被物體表面吸收而轉(zhuǎn)化成其他能量，這種現(xiàn)象叫做吸聲。吸聲降噪是一種在傳播途徑上控制噪聲強度的方法。其做法通常是在室內(nèi)墻面或頂棚面安裝吸聲材料。2 .消聲器消聲器是一種既能使氣流通過又能有效地降低噪聲的設(shè)備。通常可用消聲器降低各種空氣動力設(shè)備的進出口或沿管道傳遞的噪聲。例如在內(nèi)燃機、通風機、鼓風機、壓縮機、燃氣輪機以及各種高壓、高速氣流排放的噪聲控制中廣泛使用消聲器。3 .隔聲降噪隔聲降噪是

11、焊接生產(chǎn)常用噪聲控制技術(shù)。把產(chǎn)生噪聲的機器設(shè)備封閉在一個小的空間，使它與周圍環(huán)境隔開，以減少噪聲對環(huán)境的影響，這種做法叫做隔聲。隔聲屏障和隔聲罩是主要的兩種設(shè)計，其他隔聲結(jié)構(gòu)還有：隔聲室、隔聲墻、隔聲幕、隔聲門等，這些隔聲設(shè)備只是結(jié)構(gòu)不同，其隔聲陌噪原理基本相同。衡量構(gòu)件隔聲性能好壞用隔聲量表示，單位是分貝，分貝數(shù)越大構(gòu)件隔聲性能越好。隔聲屏障它是保護近聲場人員免遭直達聲危害的一種噪聲控制手段。當聲波在傳播中遇到屏障時，會在屏障的邊緣處產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，從而在屏障的背后產(chǎn)生一個聲影區(qū)，聲影區(qū)內(nèi)的噪聲級低于未設(shè)置屏障的噪聲級，這就是隔聲屏障降噪的基本原理。目前國內(nèi)大量采用各種形式的屏障降低交通噪聲，這時屏障用來阻擋噪聲源與受體之間的直達聲。例如，某企業(yè)采用隔聲屏障，經(jīng)過實測表明隔聲屏障內(nèi)的噪聲為85分貝，而隔聲屏障外30米內(nèi)的噪聲僅為6970分貝，下降了1516分貝，效果十分明顯。隔聲罩當噪聲源比較集中或只有個別噪聲源時，可將噪聲源封閉在一個小的隔聲空間內(nèi)，這種隔聲設(shè)備稱為隔聲罩。隔聲罩是抑制機構(gòu)噪聲的較好的方法，它往往能獲得很好的減噪效果。如老式直流焊機是強噪聲設(shè)備，常常使用隔聲罩來減噪。一般機器所用的隔聲罩由罩板，阻尼涂料和吸聲層構(gòu)成。罩板一般用13毫米厚的鋼板，也可以用密度較大的木質(zhì)纖維板。罩殼用金屬板時要涂以一定厚度的阻尼層以提高隔聲