超声波焊头设计型状如何选定？

超声波焊头设计型状如何选定？有锥体型、阶梯型、指数型、悬炼指数型等等，如何选定由一些因素决定，一起学习超声波焊接知识。

一般是以加工面积来决定，设计习惯上会以简单的几何体，及易于加工成型作为考虑依据；另外就是以超声波焊头几何型体的特性为准则，如以「增益比」（即振幅放大比）为设计主要考虑因素时，锥体型超声波焊头在有增益的超声波焊头几何型体中是增益最小的，而阶梯型喇叭，是有增益的焊头几何型体中增益最大的。如以「超声波模具寿命及耐冲击」考虑，则锥体型喇叭，在有增益的焊头几何型体中是最佳的，而阶梯型超声波焊头，则是有增益的焊头几何型体中，寿命及耐冲击设计风险最大的。

超声波焊头设计型状的选定，原则上加工面积小时采用「锥体型」，加工面积大时采用「阶梯型」，加工面积居中则用「指数型」及「悬炼指数型」；实务上我们亦会设计混合型的超声波模具，如阶梯指数型、阶梯锥型或加大压着面积的阶梯型焊头；如加工特殊需求时，亦会设计几何型体特殊的超声波焊头。

阶梯锥体型超声波焊头

20KHz圆阶梯锥体型HORN

20KHz阶梯指数型HORN

超声波焊头的设计，焊头上端面的断面积可由总合振幅放大比（锥体变幅杆的振幅放大比与焊头振幅放大比之积）决定，总合振幅放大比并非可任意增大，受限于焊头的内部损失、疲劳限度等，理论上最大约20～30。若加工断面积小，致使总合振幅放大率超过30时，可采用增大喇叭加工端断面积，来抑制总合振幅放大率为30以下。超声波焊头大端断面积若太增大比值，会受超声波焊头横振动影响，通常喇扒设计上会使断面尺寸为1/4λ以下。

理论上总合振幅放大比设计最大可达20～30，实务上需考虑超声波焊接机振动系统频率及其输出功率，还有其应用层面，才能如理论上设计高总合振幅放大比的超声波焊头，因此高总合振幅放大比的超声波案头，其设计是有限制性的。高总合放大比的超声波应用，最常见于超声波加工机，尤其是高频、低功率（功率小于100W）的超声波加工机系统，超声波塑料熔接机系统多属高功率，因此甚少见。

下图例为一28KHz超声波振动部组，变幅杆大端为 45MM小端为 15MM，其为指数型焊头设计，故M=3；超声波焊头大端为 30MM小端为 3MM，其设计为指数型超声波焊头，M=10。

故此组振动部组之锥体（BOOSTER）与喇叭（HORN）之总合放大比，为3×10＝30加工物干涉时超声波焊头型状的选定。

超声波焊头型状的选定如前述是有其基本法则，实务上则常会受限于加工物及加工应用，加工物的形状及加工位置直接影响焊头的型状设计；常见的状况是因加工位置深入，或要求加工面需为薄小，如采一般的超音波喇叭型状选定的模式，会有加工物与超声波焊头加工节点干涉的问题，此时即需依据加工物与喇叭干涉状况，来调整焊头的设计型状。最常遇到的状况就是当以阶梯型或锥型的喇叭设计会与加工物干涉，需改以指数型喇叭设计，使加工节点成较短避开干涉。如以指数型喇叭设计仍无法避免加工节点干涉，此时喇叭设计可能需考虑以1λ或11/2λ、、的设计来对应。

下图例为一15KHz全波长超声波焊头，因中孔需闪加工物塑件干涉，1/2λ超声波焊头设计无法确实避免干涉，因此采1λ焊头设计，并于上1/2λ接连以锥型中孔增益设计，使超声波焊头能确实避免加工时与工件碰触，并能维持焊头之增益设计。

15KHz全波长超声波焊头剖面

15KHz全波长超声波焊头

下左图例为20KHz全波长超声波焊头，因加工应用需求，其焊头加工端需长且薄尖，因此采1λ之喇叭设计，使上1/2λ超声波焊头有增益设计，而下1/2λ为无增益设计，作为工具（Tooling）。

20KHz全波长超声波焊头

上右图例为20KHz全波长超声波焊头，因增益比设计考虑，以1/2λ焊头设计增益无法满足加工需求，及受限于焊头大端之断面积，因此采1λ之喇叭设计，以两个1/2λ焊头接连设计，使加工端之增益比放大。

加工物干涉焊头有时亦需设计异型喇叭型状来因应，当加工物之需加工位置深入且隐藏，致使超声波焊头无法作直线加工时，需设计弯曲异型的超声波焊头来加工；或加工位置位于工件内，超声波模头无空间可作直线加工，由于空间及角度的限制，只能从侧面加工，此时设计超声波焊头型状，需采改变振动方向及深入加工物的设计，才能达到加工的需求。

下图例为28KHz半波长超声波焊头，及35KHz全波长喇叭，因应加工位置深入且隐藏之加工应用需求，因此采焊头设计弯曲以便于加工；由于无法直线加工，通常都以人工手持方式操作，因此多应用于超声波手焊机。

28KHz1/2λ异型超声波焊头