新冠疫情爆發(fā)后，口罩生產(chǎn)成為了一個熱門行業(yè)。對于口罩的產(chǎn)生，除了我們耳熟能詳?shù)娜蹏姴?，超聲波焊接是其中一個重要的加工過程?？谡稚想S處可見的一些壓痕，如封邊、耳帶、呼吸閥都是超聲波焊接的。
超聲結(jié)合技術(shù)
相對于傳統(tǒng)的技術(shù)，例如膠合或者熱焊接，超聲焊接不影響材料特性。此外，超聲焊接技術(shù)允許多層焊接或者層壓同時進行多個工藝，如焊接、切割和打孔。
德國的Herrmann公司是使用超聲波技術(shù)焊接熱塑材料的專家。他們在包裝、非紡織業(yè)務(wù)單元以及客戶制定的方案中發(fā)現(xiàn)了大量超聲波焊接的應(yīng)用。
超聲焊接如何工作
在超聲焊接過程中，高頻機械振動傳導(dǎo)到需要結(jié)合的材料表面，材料處于一定的壓力作用下。由于材料的表面和分子間的相互摩擦產(chǎn)生熱量，材料局部開始變軟。由于塑化材料阻尼的增加，這個反應(yīng)是自加速的，因此大量的振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷３暡ㄍＶ棺饔煤?，為了使之前塑化的材料均勻固化，需要使壓力持續(xù)短暫的時間。隨后，借助超聲波能量結(jié)合到一起的材料就可以被進一步的加工處理。
超聲波焊接過程是由超聲波堆棧開始的。超聲波堆棧主要有三部分組成：壓電轉(zhuǎn)換器A、幅值放大器B和實際作用的焊頭C，如圖1所示。
圖1 超聲波堆棧結(jié)構(gòu)圖
高質(zhì)量的需求
就結(jié)合的穩(wěn)定性、密度和表面質(zhì)量而言，完成高質(zhì)量的焊接的前提是適用于過程和材料的焊接工具。單個部件的振動特性是非常重要的，尤其是振動幅值。在Herrmann超聲公司，超聲波堆棧的所有部件都會進行單獨的測試，幅值測量是其中最重要的。
振動幅值測量
針對與不同的部件，我們可以進行單點測試或者掃描式測試。壓電轉(zhuǎn)換器和幅值放大器是商業(yè)化的標準部件，都會標注具體的幅值輸出。使用Polytec激光測振儀測試其幅值輸出，確保輸出結(jié)果在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。焊接頭是單個部件，不同的工件適用不同的頭。焊接頭必須完美的匹配工件提供穩(wěn)定的幅值，從而確保良好的焊接過程。使用三維的CAD模型來開發(fā)和設(shè)計焊頭，通過在工件上制作原型。通過有限元模型分析優(yōu)化振動特性，直到幅值達到規(guī)定的要求才會投入生產(chǎn)。使用PSV三維掃描式激光測振儀可以對物體進行三維掃描測試，測試結(jié)果可以用來修正仿真結(jié)果，使仿真的準確性進一步提高。
圖2 使用激光測振儀得到的探頭三維振型
使用Polytec掃描式激光測振儀測試完成的焊頭的振動特性。圖3顯示了測試搭建：左邊是PSV掃描頭，右邊是放置在工裝上的焊頭，中間顯示器上PSV軟件顯示了被測焊頭的圖像。使用PSV掃描式激光測振儀測量焊頭在特定頻率下的振幅輸出，如圖4所示。專門為這個測試配置的軟件可以實現(xiàn)安全操作并提供測試文件。測量的幅值分布再次和有限元模型對比。如有必要，可以進一步優(yōu)化焊頭。
圖3 超聲探頭測試搭建
圖4 探頭表面幅值分布
