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2026/09/03
文章 03｜超音波熔接模具怎麼選？超音波焊頭 Horn 設計重點解析
文章 03｜超音波熔接模具怎麼選？超音波焊頭 Horn 設計重點解析
主要關鍵字：超音波熔接模具、超音波焊頭、Horn、超音波模具訂製、鈦合金超音波模具
超音波模具是什麼？聲學系統的核心咽喉
在超音波塑膠加工中，許多工程師常誤以為熔接品質完全取決於主機。實際上，超音波熔接模具 與 超音波焊頭（又稱 Horn） 才是真正直接與產品接觸、傳遞高頻機械振動能量的關鍵聲學元件。即便擁有最高階的發振箱，若焊頭聲學設計不良，能量便無法均勻聚焦於產品接合面，導致熔接失敗。
超音波焊頭 (Horn) 的作用與聲學傳遞機制
超音波焊頭（Horn）並非一般的金屬沖壓或切削治具，而是一個經過嚴密計算的 半波長（Half-Wavelength）諧振體。
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振幅放大與均勻化：將來自變幅桿（Booster）的位移振幅按照設計比例（增益比）放大或縮小，並確保焊頭工作面上的振動位移分布均勻。
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壓力傳遞：在發振的同時，將氣壓或伺服系統提供的垂直下壓力均勻施加於工件上。
若 Horn 的諧振頻率與發振箱不匹配（如 20kHz 系統偏離超過 ±200Hz），發振箱將觸發過載保護，甚至燒毀 超音波發振子與換能器。
常見超音波焊頭與模具材質比較
選擇正確的模具材質，必須綜合考量「聲學傳導性」、「疲勞強度」與「耐磨耗性」：
材質分類 |
聲學傳導效率 |
疲勞強度與壽命 |
耐磨性 |
適用場景與優缺點 |
高硬度鋁合金 (如 7075-T6) |
極佳 (輕量、阻尼低) |
中等 |
較差 (容易磨損) |
適合原型打樣、中小批量生產或大尺寸振動頭。成本較低，但加工硬化塑膠易磨損。 |
鈦合金 (如 Ti-6Al-4V) |
優異 |
極高 (抗拉疲勞強) |
良好 |
鈦合金超音波模具 是高階應用的首選。適合加玻纖塑膠、連續發振或高氣密要求產品。 |
硬化合金鋼 (如 D2 / SKD11) |
較差 (重、阻尼高) |
高 (經熱處理) |
極佳 |
適合小面積、高磨耗的切削或封口應用（如不織布切邊）。需注意高頻發熱問題。 |
為什麼模具設計不良會直接毀掉熔接品質？
當 超音波熔接模具 設計出現缺陷（如未進行有限元素 FEA 節點分析）時，會引發以下問題：
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橫向剪切振動（Transverse Mode）：焊頭產生扭曲振動，導致產品表面刮傷、壓痕或發白。
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振幅輸出不均：大面積焊頭中央與邊緣振幅不一，造成區域性 超音波熔接強度不夠 與局部溢膠。
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聲學應力集中：焊頭內部應力過大，在短時間內因金屬疲勞而裂開。
何時需要專業的超音波模具訂製？
當您的產品具備以下特徵時，切勿使用通用型模具，必須進行客製化 超音波模具訂製：
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3D 曲面與異形接合面：需透過 3D CNC 精密掃描與加工，確保焊頭與產品 100% 貼合。
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添加玻璃纖維材料：如 PA66+30%GF，需採用表面硬化處理（如鍍鉻、碳化鈦或硬質陽極處理）的鈦合金焊頭。
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嚴格氣密與水密要求：需精準控制導熔線與限位溝槽模具設計。