新冠疫情爆發后，口罩生產成為了一個熱門行業。對于口罩的產生，除了我們耳熟能詳的熔噴布，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。
超聲結合技術
相對于傳統的技術，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焊接熱塑材料的專家。他們在包裝、非紡織業務單元以及客戶制定的方案中發現了大量超聲波焊接的應用。
超聲焊接如何工作
在超聲焊接過程中，高頻機械振動傳導到需要結合的材料表面，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，這個反應是自加速的，因此大量的振動能量轉變為熱。超聲波停止作用后，為了使之前塑化的材料均勻固化，需要使壓力持續短暫的時間。隨后，借助超聲波能量結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 超聲波堆棧結構圖
高質量的需求
就結合的穩定性、密度和表面質量而言，完成高質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。壓電轉換器和幅值放大器是商業化的標準部件，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，確保輸出結果在穩定的范圍內。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模型來開發和設計焊頭，通過在工件上制作原型。通過有限元模型分析優化振動特性，直到幅值達到規定的要求才會投入生產。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，測試結果可以用來修正仿真結果，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，可以進一步優化焊頭。
圖3 超聲探頭測試搭建
圖4 探頭表面幅值分布
