優化超聲焊接工具

超聲焊接技術

    與傳統的焊接技術（如粘接或熱焊接等）相比，超聲焊接不會對材料性能造成任何影響。此外，超聲焊接技術還可以多層焊接，多個工藝步驟（焊接、切割和穿孔等）可同時進行。

    德國卡爾斯巴德的Herrmann Ultrasonics公司，專業從事熱塑性材料的超聲焊接，為塑料、包裝和無紡布等行業的客戶提供廣泛的超聲焊接解決方案。

它是如何工作的？

    超聲焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

    超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區聲阻大而產生局部高溫，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。一旦達到預期的焊接程度，超聲波停止作用，同時仍舊會有一定的壓力施加于兩個工件上，使剛剛焊接好的部分冷卻、固化，從而形成緊密地結合。

圖1 超聲焊接堆棧組件（A壓電轉換器，B變幅桿，C換能器）

高焊接質量要求

焊縫要滿足穩定、優質和美觀等良好焊接效果的前提，是焊接工具必須同時適用于焊接工藝和材料。在赫爾曼超聲波下，對所有的堆棧組件分別進行獨立測試，其中振幅測量最為重要。

振幅測量

根據部件的不同，采用單點式或掃描式振動測量。

    換能器和變幅桿是商用標準組件，其輸出固定的標稱振幅值。我們采用CLV緊湊型激光測振儀來測量振動幅值，確保其振幅在規定范圍內。為確保良好的焊接工藝，換能器作為提供相應超聲振幅的獨立部件，必須與工件完全匹配。利用三維CAD模型（圖2），通過工件原型化來開發和設計超聲換能器。在有限元模型分析的幫助下，不斷優化其振動性能直到其滿足規定參數，至此，換能器才能投入生產。

圖2 換能器有限元模型的動態特性（上半部分）和換能器的應變分布（下半部分）

圖3 超聲換能器測試現場布局

圖4 超聲換能器表面的振幅分布

    使用PSV掃描式激光測振儀來測量超聲換能器成品。圖3是測試現場布局，左側為PSV掃描頭，右側為安裝在合適支架上的超聲換能器，中間為PSV軟件界面，顯示了超聲換能器實時視頻圖像和測量數據。PSV系統測量了特定頻率下超聲換能器表面選定測點的振幅（圖4）。本次試驗專門配置的軟件為測量節省了不少時間，且操作安全，并可提供測試文檔。測得的振幅分布與有限元模型再次進行比較，必要時，對超聲換能器進一步優化。