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[摘 要]超声波焊接如今在工业中的应用越来越广，本文将介绍超声波焊接的原理，并结合具体实例，研究超声波焊接在光学防抖系统的应用。
[关键词]超声波焊接；光学防抖；激光焊接；手机模块
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01
Ultrasonic plastic welding applications in optical anti shake system
Li Chang Yi
（Dongguan Nancheng Xinkecidian Products Co Ltd Guangdong Dongguan Nancheng District Hongyuan Industrial Zone Xinkecidian products factory 523087）
[Abstract]Ultrasonic welding is now used in industry more and more widely，this paper introduces the principle of ultrasonic welding，and combined with concrete examples，study the application of ultrasonic welding system in optical anti shake.
[Key words]Ultrasonic welding；Optical anti shake； Laser welding，phone module
1 前言
超声波焊接是一种快捷，干净，有效的装配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件的方法。目前超声波焊接被运用在塑胶制品与之间的粘结，塑胶制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘结。它已经取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺，例如用502胶水，成为一种先进的装配技术。超声波熔接不但有连接装配功能，而且具有防潮、防水的密封效果。超声波焊接的优点：1.超声波熔接不会产生如化学药剂之毒性，属于安全的熔接加工，符合节能环保；2.无需装备散烟散热的通风装置 3.不消耗大量热源，成本低，效率高 4.容易实现自动化生产5.无须添加任何粘剂，操作简单快捷，焊接速度快，焊接强度高，粘接牢固6.焊点美观，产品表面无伤痕，可实现无缝焊接，焊接效果好，防潮防水，气密性好。
2. 超声波焊接的原理
2.1 超声波焊接装置
超声波是与频率（声音的振动）有关，是超出人的听觉以外的，高频振动，是超出人类听觉范围（20HZ-20000HZ）的音波。超声波焊接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能，供应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置。振动通过焊接工作件把振动频率传给塑胶组件，通过20000次/秒的高频振动，高速热磨擦产生热能使塑胶和金属熔融而结合， 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键，整个周期通常是不到一秒钟便完成，但是其焊接强度却接近是一块连着的材料。
从超声波的工作原理我们可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时间短，通常范围（0.05-1）秒，所以产生的热量有限，所以一般只适用于一些熔点较低（400℃ 以下）的材料，主要以热塑性的聚合物即塑料为主。超声波焊接材料的改性会影响超声波焊接质量，纤维等填料的加入能够提高高分子材料的硬度，有利于超声波的传递，在适宜的工艺条件下填料加入可以提高超声波焊接接头强度。
2.2 影响超声波熔接的能量的因素
影响超声波熔接的能量的因素如下：
* 1.气压 我们可以通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越大；
* 2.下降速度 超声波熔接机上有相应的旋钮，一般来说，下降速度越大，能量越大
* 3.频率 超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大；
* 4.振幅 振幅的变化因素比较多，就一般来说，振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到；
* 5.时间 我们可以调整焊接机的焊接时间，时间越长，焊接的能量越大；
* 6.保压时间 保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，形成的焊点越稳定，变形越小；
2.3 焊接过程
如下图1所示，振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。
2.4 焊接原理
超聲波从焊头放出，超声波从焊头传送塑胶件，超声波传送到熔接面，分子之间因摩擦生热，熔接塑胶件。
2.5 焊接头的原理
焊接头其实是一件半波长的金属，使其传递超声波时，产生共振，将振动能量传递到工件上。焊接头的材料：钛合金，铝合金，合金钢。
2.6 超声波焊接机的工作原理图
电源主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。
换能器（TRANSDUCER）：电流经过换能器，令换能器内产生电磁振荡，再经过压电陶瓷片，令压电陶瓷片产生振动，振动经过金属头，传到调幅器。换能器主要作用是将电信号转换成机械振动信号。
调幅器（Booster）主要作用是放大振幅并耦合负载，将换能器传递过来的振幅进行放大，达到加工塑料件所需能量振幅，相当于加热的温度。
焊头（HORN）：焊头的作用是对于特定的塑料件制作，符合塑料件的形状、加工范围等要求。 3. 光学防抖
3.1 光学防抖原理
光学防抖是过镜头的浮动透镜来纠正“光轴偏移”。其原理是通过镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动，然后将信号传至微处理器，处理器立即计算需要补偿的位移量，然后通过补偿镜片组，根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿，从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。
3.2 Module的结构
现在在很多手机里面具备光学防抖功能，在防抖系统里面的Module结构需要用到超声波塑料焊接技术。
现在从超声波焊接和激光焊接的效果对比，看哪一种焊接更适合塑料和金属的焊接。
手机Module的结构组成：
现在我们要求是把B-spring和Bottom焊接在一起。B-spring是0.05mm后的铜片，要通过Bottom上的PIN固定到Bottom上，示意图如下：
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。
从上图可以看出，效果不明显，PIN已经烧焦了，影响外观和产品性能，因此激光焊接在这种焊接不可行。因此我们采用超声波焊接。
我们从设计开始：
具体尺寸
Total Boss height=CMT+1.38X
Boss Dia=X
CMT==Spring=0.05MM
X=0.25mm
Finished Height=0.375X=0.375X0.25=0.09MM
Finished Diameter=2X=0.5MM
Total Boss Height= CMT+1.38X=0.40mm.
用超声波焊接的效果很好，形状达到要求，没有变形，而且可以压紧弹片。
4. 结束语：
通过对比超声波焊接和激光焊接的效果，得出超声波更适合应用在塑胶和金属的焊接，解决了弹片与塑胶件装配的难题。
超声波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超熔接处理，而不需加溶剂，粘接剂或其它辅助品。其优点是增加多倍生產率，降低成本，提高产品质量及安全生产。超声波焊接以其独有的优点，越来越受到焊接工业的喜爱。超声波焊接可以应用于塑料和金属的焊接，尤其是现在的塑料制品，大多采用超声波焊接，可以省去螺钉结构，让外观很完美，而且还有防水防尘的功能。随着超声波焊接研究的逐步深入，相信在不久的将来，将得到更充分的应用.
参考文献
[1]陈祝年.焊接工程师手册（第2版） 机械工业出版社2010-02-02.
[2]席细平，马重芳，王伟.超声波技术应用现状[J].山西化工，2007，27（1）：25-29.
[3]范百刚. 超声原理与应用[M].南京：江苏科学技术出版社，1984.
[4]李少先；热塑性塑料的超声波焊接[J]；塑料工业；1981年03期.
[5]ANSYS优化和设计在超声波焊接工装上的应用.2009-07-31.
[6]Patrick M. Cunningham， “Use of the Finite Element Method in Ultrasonic Applications”， Computer Aided Engineering Associates， Ultrasonic Industry Association Symposium June 2000.
作者简介
李畅毅，男，1986年3月15日，广东肇庆，本科，机械设计制造及其自动化。
[关键词]超声波焊接；光学防抖；激光焊接；手机模块
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01
Ultrasonic plastic welding applications in optical anti shake system
Li Chang Yi
（Dongguan Nancheng Xinkecidian Products Co Ltd Guangdong Dongguan Nancheng District Hongyuan Industrial Zone Xinkecidian products factory 523087）
[Abstract]Ultrasonic welding is now used in industry more and more widely，this paper introduces the principle of ultrasonic welding，and combined with concrete examples，study the application of ultrasonic welding system in optical anti shake.
[Key words]Ultrasonic welding；Optical anti shake； Laser welding，phone module
1 前言
超声波焊接是一种快捷，干净，有效的装配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件的方法。目前超声波焊接被运用在塑胶制品与之间的粘结，塑胶制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘结。它已经取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺，例如用502胶水，成为一种先进的装配技术。超声波熔接不但有连接装配功能，而且具有防潮、防水的密封效果。超声波焊接的优点：1.超声波熔接不会产生如化学药剂之毒性，属于安全的熔接加工，符合节能环保；2.无需装备散烟散热的通风装置 3.不消耗大量热源，成本低，效率高 4.容易实现自动化生产5.无须添加任何粘剂，操作简单快捷，焊接速度快，焊接强度高，粘接牢固6.焊点美观，产品表面无伤痕，可实现无缝焊接，焊接效果好，防潮防水，气密性好。
2. 超声波焊接的原理
2.1 超声波焊接装置
超声波是与频率（声音的振动）有关，是超出人的听觉以外的，高频振动，是超出人类听觉范围（20HZ-20000HZ）的音波。超声波焊接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能，供应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置。振动通过焊接工作件把振动频率传给塑胶组件，通过20000次/秒的高频振动，高速热磨擦产生热能使塑胶和金属熔融而结合， 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键，整个周期通常是不到一秒钟便完成，但是其焊接强度却接近是一块连着的材料。
从超声波的工作原理我们可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时间短，通常范围（0.05-1）秒，所以产生的热量有限，所以一般只适用于一些熔点较低（400℃ 以下）的材料，主要以热塑性的聚合物即塑料为主。超声波焊接材料的改性会影响超声波焊接质量，纤维等填料的加入能够提高高分子材料的硬度，有利于超声波的传递，在适宜的工艺条件下填料加入可以提高超声波焊接接头强度。
2.2 影响超声波熔接的能量的因素
影响超声波熔接的能量的因素如下：
* 1.气压 我们可以通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越大；
* 2.下降速度 超声波熔接机上有相应的旋钮，一般来说，下降速度越大，能量越大
* 3.频率 超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大；
* 4.振幅 振幅的变化因素比较多，就一般来说，振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到；
* 5.时间 我们可以调整焊接机的焊接时间，时间越长，焊接的能量越大；
* 6.保压时间 保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，形成的焊点越稳定，变形越小；
2.3 焊接过程
如下图1所示，振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。
2.4 焊接原理
超聲波从焊头放出，超声波从焊头传送塑胶件，超声波传送到熔接面，分子之间因摩擦生热，熔接塑胶件。
2.5 焊接头的原理
焊接头其实是一件半波长的金属，使其传递超声波时，产生共振，将振动能量传递到工件上。焊接头的材料：钛合金，铝合金，合金钢。
2.6 超声波焊接机的工作原理图
电源主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。
换能器（TRANSDUCER）：电流经过换能器，令换能器内产生电磁振荡，再经过压电陶瓷片，令压电陶瓷片产生振动，振动经过金属头，传到调幅器。换能器主要作用是将电信号转换成机械振动信号。
调幅器（Booster）主要作用是放大振幅并耦合负载，将换能器传递过来的振幅进行放大，达到加工塑料件所需能量振幅，相当于加热的温度。
焊头（HORN）：焊头的作用是对于特定的塑料件制作，符合塑料件的形状、加工范围等要求。 3. 光学防抖
3.1 光学防抖原理
光学防抖是过镜头的浮动透镜来纠正“光轴偏移”。其原理是通过镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动，然后将信号传至微处理器，处理器立即计算需要补偿的位移量，然后通过补偿镜片组，根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿，从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。
3.2 Module的结构
现在在很多手机里面具备光学防抖功能，在防抖系统里面的Module结构需要用到超声波塑料焊接技术。
现在从超声波焊接和激光焊接的效果对比，看哪一种焊接更适合塑料和金属的焊接。
手机Module的结构组成：
现在我们要求是把B-spring和Bottom焊接在一起。B-spring是0.05mm后的铜片，要通过Bottom上的PIN固定到Bottom上，示意图如下：
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。
从上图可以看出，效果不明显，PIN已经烧焦了，影响外观和产品性能，因此激光焊接在这种焊接不可行。因此我们采用超声波焊接。
我们从设计开始：
具体尺寸
Total Boss height=CMT+1.38X
Boss Dia=X
CMT==Spring=0.05MM
X=0.25mm
Finished Height=0.375X=0.375X0.25=0.09MM
Finished Diameter=2X=0.5MM
Total Boss Height= CMT+1.38X=0.40mm.
用超声波焊接的效果很好，形状达到要求，没有变形，而且可以压紧弹片。
4. 结束语：
通过对比超声波焊接和激光焊接的效果，得出超声波更适合应用在塑胶和金属的焊接，解决了弹片与塑胶件装配的难题。
超声波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超熔接处理，而不需加溶剂，粘接剂或其它辅助品。其优点是增加多倍生產率，降低成本，提高产品质量及安全生产。超声波焊接以其独有的优点，越来越受到焊接工业的喜爱。超声波焊接可以应用于塑料和金属的焊接，尤其是现在的塑料制品，大多采用超声波焊接，可以省去螺钉结构，让外观很完美，而且还有防水防尘的功能。随着超声波焊接研究的逐步深入，相信在不久的将来，将得到更充分的应用.
参考文献
[1]陈祝年.焊接工程师手册（第2版） 机械工业出版社2010-02-02.
[2]席细平，马重芳，王伟.超声波技术应用现状[J].山西化工，2007，27（1）：25-29.
[3]范百刚. 超声原理与应用[M].南京：江苏科学技术出版社，1984.
[4]李少先；热塑性塑料的超声波焊接[J]；塑料工业；1981年03期.
[5]ANSYS优化和设计在超声波焊接工装上的应用.2009-07-31.
[6]Patrick M. Cunningham， “Use of the Finite Element Method in Ultrasonic Applications”， Computer Aided Engineering Associates， Ultrasonic Industry Association Symposium June 2000.
作者简介
李畅毅，男，1986年3月15日，广东肇庆，本科，机械设计制造及其自动化。