超聲波焊接是行業(yè)中常見的塑料焊接工藝之一。焊接過程中三個(gè)重要的參數(shù):振幅、焊接時(shí)間和焊接壓力。焊接時(shí)間和壓力是工藝發(fā)展后期容易調(diào)整的參數(shù)。振幅往往是在開發(fā)初期確定的，后期很難改變，因此須提前設(shè)計(jì)合適的振幅。
    雖然基于行業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)，許多通用材料都推薦了設(shè)計(jì)振幅。然而，隨著新開發(fā)的特殊材料的迅速增加，希望能有一種實(shí)驗(yàn)方法來確定材料所需的振幅。在這里，我們介紹一種可行的方法來確定所需振幅。
    焊接頭的輸出幅度取決于設(shè)備的頻率、變頻器的輸出幅度、調(diào)幅器(喇叭)的變換比以及焊接頭的形狀設(shè)計(jì)。典型的焊接頭設(shè)計(jì)方法是:在低于材料疲勞限應(yīng)力的條件下，焊接頭設(shè)計(jì)變換比越大越好(即輸出振幅越大越好)。如果需要降低幅度，可以將幅度調(diào)制器的比例調(diào)小，或者通過調(diào)整電壓來降低幅度。
    但是，這種設(shè)計(jì)方法也有一些缺點(diǎn):
    轉(zhuǎn)換比不能均勻分布，即焊頭和調(diào)幅器的轉(zhuǎn)換比差別很大。需要注意的是，當(dāng)焊接頭和調(diào)幅器的變換比接近時(shí)，超聲三聯(lián)(換能器+調(diào)幅器+焊接頭)的性能會(huì)得到提高。
    通過改變電壓來降低焊接頭的變化率，同時(shí)也會(huì)降低電箱的輸出功率。例如，當(dāng)振幅設(shè)置為時(shí)，一個(gè)原始輸出功率為2400W的電盒實(shí)際輸出功率為1200W。這很容易造成超負(fù)荷。
    使用較大的振幅會(huì)對零件造成不可接受的損壞。例如，小截面積的裂縫可能會(huì)造成外觀燒傷，可能會(huì)對膜、濾膜和電子元器件造成損壞。
    由于上述原因，確定塑料超聲焊接早期所需的振幅非常重要。

    振幅計(jì)算
    傳輸?shù)剿芰喜糠值恼穹莻鞲衅鬏敵稣穹⒄{(diào)幅器比值和焊接頭比值的乘積。
    換能器的輸出振幅和調(diào)幅器的比值由超聲波設(shè)備制造商提供，通常是固定的。但可以設(shè)計(jì)焊接頭的變形比。
    焊頭轉(zhuǎn)化率有一個(gè)近似的計(jì)算公式:焊頭轉(zhuǎn)化率=焊頭節(jié)點(diǎn)上方質(zhì)量÷焊頭節(jié)點(diǎn)下方質(zhì)量。由于材料密度和長度相同，將公式簡化為:焊頭變換比=焊頭節(jié)點(diǎn)上方橫截面積÷焊頭節(jié)點(diǎn)下方橫截面積× 0.8。0.8的因素是考慮節(jié)點(diǎn)圓角過渡的影響。
    通過此方法計(jì)算出后續(xù)試驗(yàn)焊接頭的理論輸出幅值為13.9um(峰對峰)。測量的振幅為15um(峰對峰)。這兩個(gè)很接近。
    實(shí)驗(yàn)的程序
    選擇非晶材料PC和半晶材料PP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定兩種材料所需的振幅。
    杜肯伺服驅(qū)動(dòng)超聲焊接設(shè)備非常適合于測定振幅的試驗(yàn)。因?yàn)樗暮附宇^可以懸停，并產(chǎn)生壓力測量數(shù)據(jù)，并與超聲波振幅等數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。從本質(zhì)上講，該裝置的“熔體匹配”功能使焊接頭以設(shè)定的壓力接觸產(chǎn)品，停止下降并觸發(fā)超聲波振動(dòng)。超聲振動(dòng)傳遞到塑性焊縫位置。一旦該裝置測量到壓力降，表面聚合物就開始熔化。然后焊接頭開始向下移動(dòng)。
    這個(gè)重要的函數(shù)可以幫助我們測量在給定的振幅和壓力條件下塑性熔化的開始時(shí)間。我們定義從超聲起始點(diǎn)到壓降點(diǎn)的時(shí)間為“熔化起始時(shí)間”。對于每種材料，在不同的振幅下繪制熔化開始時(shí)間圖。此外，對零件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，確定振幅對焊接強(qiáng)度的影響。
    結(jié)果與討論
    熔化開始時(shí)間和拉伸試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。隨著PP振幅的增大，強(qiáng)度逐漸增大，熔化起始時(shí)間逐漸縮短。PC具有一定的振幅。低于這個(gè)振幅，材料不會(huì)熔化。
    我們普遍認(rèn)為，非晶材料PC在溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，會(huì)隨著溫度的升高而表現(xiàn)出逐漸軟化的特征。半結(jié)晶材料PP在達(dá)到熔點(diǎn)后會(huì)突然液化。
    在本實(shí)驗(yàn)中，PP的性能逐漸變化可能與材料的柔軟性有關(guān)。PC的快速變化可能是由于振幅不在正確的范圍內(nèi)造成的。需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，如增加PC幅值范圍，或測量焊縫溫度。

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