一、概述

超声波焊接是工业上最常见的塑料焊接工艺之一。该过程中最重要的三个参数:振幅、持续时间(焊接时间)和力(焊接压力)。焊接时间和压力是技术开发后期容易调整的参数。振幅在开发前期定，后期变化困难，必须事先设计合适的振幅。

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。下面就给大家介绍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)的变比和焊头的外形设计。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，则更换小变比调节器或调节电压来减小振幅。

但是，这种设计方法有缺点

1.不能平均分配变比，也就是说，焊头变比比例差异很大。请注意，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)的性能会提高。

2.改变电压降低焊接头的比率，同时降低电箱输出的最大功率。例如，振幅设定为50%时，原本输出功率为2400W的电箱，实际输出为1200W。容易过载。

3.使用大振幅，会造成不可接受的零件损坏。例如，小截面积的位置破裂，外观烧伤，有可能损伤薄膜、过滤膜和电子部件。

由于上述原因，前期定义超声波焊接塑料所需的最小振幅非常重要。

二、振幅计算

传递到塑料零件的振幅大小是换能器输出振幅，调节器的比例和焊头的比例三者的乘积。

换能器的输出振幅、调幅器的比例由超声波设备制造商提供，往往是固定的。但焊头的比例可以设计。

焊头变比有近似的计算公式:焊头变比=焊头节点上的质量÷焊头节点下的质量。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，在以下测试中，焊头理论输出振幅为13.9um(从峰值到峰值)。实测振幅为15um(从峰值到峰值)。两者相近。

三、试验过程

选择非晶体材料PC和半晶体材料PP进行实验，确定两者材料所需的最小振幅

Dukane伺服驱动的超声波焊接设备非常适合确定最小振幅试验。因为焊头可以悬挂，生成压力测量数据，与超声波振动振幅等数据有关。本质上，设备的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，引起超声波振动。超声波振动传递到塑料焊接位置。设备测量压力下降后，表面聚合物开始熔化。然后焊接头开始向下移动。

这个重要的功能有助于在给定的振幅和压力条件下测量塑料熔化的开始时间。我们定义从超声波振动点到压力下降点的时间称为熔化启动时间。每种材料在不同的振幅下绘制熔化启动时间图。另外，对零件进行拉力测试，确定振幅对焊接强度的影响。

四、结果和讨论

熔化启动时间和拉伸测试结果如下图所示。值得一提的是，PP随着振幅的增加，强度逐渐增加，熔化启动时间减少。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。需要进一步实验，例如增大PC振幅区间，测量焊接位置的温度等。

五、 结论

这项工作提供了确定塑料所需最小振幅的实验方法和框架。物料开始熔化时间，与振幅、焊接强度的强相关性，也表明这种估算最少所需振幅的测试方法是可行的。