一种确定超声波焊接所需最小振幅的方法

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1. 概述

超声波焊接是工业上最常见的塑料焊接工艺之一。这一过程最重要的三个参数：振幅、持续时间（焊接时间）和力（焊接压力）。焊接时间和压力是在工艺开发后期容易调整的参数。而振幅往往开发前期已经确定，且后期改变困难，因此必须提前设计好适合的振幅。

尽管根据行业积累的经验，许多通用材料有推荐的设计振幅。但是由于新开发的专用材料正在迅速增加，因此希望有一种实验方法来确定材料所需的最小振幅。在这里，我们介绍了一种确定最小所需振幅的可行方法。

焊头输出振幅的大小取决于设备频率、换能器输出振幅、调幅器（变幅杆）的变比，以及焊头外形设计。一种典型的焊头设计方法是：在低于材料疲劳极限应力的条件下，焊头设计的变比越大越好（即输出振幅越大越好）。如果需要减小振幅，通过更换更小变比的调幅器，或者调整电压来减小振幅。

然而，这种设计方法有一些缺点：

1. 无法平均分配变比，即焊头变比与调幅器变比差异大。应注意：当焊头与调幅器有接近的变比时，超声波三联组（换能器+调幅器+焊头）的性能就会提高。
   
2. 通过改变电压来降低焊头变比，同时会降低电箱输出的最大功率。例如，当振幅设置为50%时，原本输出功率2400W的电箱，实际输出为1200W。容易造成过载。
   
3. 使用大振幅，会导致无法接受的零件损伤。例如，小横截面积的位置开裂，外观烫伤，并可能对薄膜、过滤膜和电子元器件造成损伤。

由于以上原因，前期定义好超声波焊接塑料所需的最小振幅非常重要。

2. 振幅计算

传递到塑料件上的振幅大小是换能器输出振幅，调幅器变比和焊头变比三者的乘积。

换能器输出振幅、调幅器变比由超声波设备制造商提供，往往是固定的。但焊头变比是可以设计的。

焊头变比有一个近似的计算公式：焊头变比=焊头节点上方的质量÷焊头节点下方的质量。由于材料密度和长度相同，该公式简化为：焊头变比=焊头节点上方的横截面积÷焊头节点下方的横截面积×0.8。其中0.8系数是考虑节点处圆角过渡的影响。

通过这种方法，计算以下试验中焊头理论输出振幅为13.9um（峰值到峰值）。实测振幅为15um（峰值到峰值）。两者接近。

3. 试验过程

选择一种非晶材料PC，以及一种半结晶材料PP进行实验，以确定两者材料所需要的最小振幅。

Dukane伺服驱动的超声波焊接设备，非常适合用于确定最小振幅试验。因为其焊头可以悬停，且生成压力测量数据，并与超声波振动振幅等数据关联起来。从本质上说，设备其“Melt-match”功能（熔速匹配功能）允许焊头以设定的压力接触产品，停止下降并触发超声振动。超声振动传递到塑料焊缝位置。一旦设备测量到压力下降，表面聚合物已经开始熔化。然后焊头开始向下运动。

这一重要功能，可以帮助我们在给定的振幅和压力条件下，测量出塑料熔化开始时间。我们定义从超声波起振点到压力下降点的时间叫做“熔化启动时间”。对每种材料在不同振幅下绘制了熔化启动时间图。此外，对零件进行拉力测试，以确定振幅对焊接强度的影响。

4. 结果与讨论

熔化启动时间和拉力测试结果见下图。有趣的是，PP随着振幅的增加，强度逐渐增加，熔化启动时间减小。而PC有一个明确的振幅，低于这个振幅，材料不熔化。

我们普遍认为：非结晶材料PC，在温度高于玻璃化转变温度后，随着温度增加会表现出逐渐软化特性。而半结晶材料PP在达到熔点时会表现出突然液化的现象。

在这次实验中，PP的逐渐变化的特性可能是由于这种材料的柔软导致。PC急剧变化特性可能是因为使用的振幅不在正确的范围内导致。需要进一步进行实验，例如增大PC振幅区间，或对焊缝位置的温度进行测量等。

5. 结论

这项工作提供了一种确定塑料所需最小振幅的实验方法和框架。材料开始熔化时间，与振幅、焊接强度的强相关性，也表明了这种估计最小所需振幅的测试方法是可行的。

参考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/163834427