旋轉軸式超聲波焊接工藝參數測量及分析

李平，陳啟愉，李小民，黃棟，王宇

(廣東省智能制造研究所，廣州 510651)

0 前言

醫用升溫毯是一種在手術過程中持續保持病人體溫的透氣毯，該毯由兩層PP無紡布以一定方式封閉結合而成，緊貼病人皮膚一面的升溫毯有孔眼，通過向毯的夾層吹入熱氣體，溫熱的氣體再由孔眼釋放出來，從而圍繞在患者周圍，達到保持患者體溫的目的[1-2]。兩層無紡布需通過特定方式將四周縫合并達到一定結合強度，保證充熱氣過程中不爆開。傳統上常采用熱合機或高溫模具實現邊的焊合，該方式對模具的恒溫控制及長尺寸模具的溫度一致性有較高要求，同時高溫模具需與無紡布隔離以防止誤焊或過焊，且須設置防燙安全防護措施以保證操作人員安全。相比傳統熱焊方式，超聲波焊接的優勢明顯。其原理是利用縱波的波峰傳遞振幅到無紡布的縫隙，在加壓的情況下使兩層無紡布接觸部位高頻摩擦，分子間急速產生熱量、熔融固化而實現焊接[3]，具有短時、低溫及環保的特點。

目前，許多研究者對超聲波焊接工藝參數開展了相關研究。張凱[4]研制了在預熱下錐形口罩耳帶超聲波焊接裝置，并通過試驗獲知在75 ℃預熱、0.5 MPa壓力下較理想的成形結果。王衛玉[5]研制了無紡布電機消音棉超聲波焊接裝置，并通過焊接試驗及實物結合特征比對觀察，得到0.5 MPa壓力、保壓1.1 s時能達到理想成型效果。二者均采用超聲點焊方式，焊接工藝參數對產品質量的影響程度無法判斷。另外，趙玉津等[6]采用正交試驗方法對鋁銅的焊接工藝參數進行研究，明確了焊接能量對焊接接頭的拉伸力影響最大，并得到了最優工藝參數。趙德望等[7]針對鎂鈦異質金屬的超聲波焊接工藝參數進行了研究，通過全試驗、極差及方差分析得到焊接壓力是最顯著影響因素，其次是焊接時間和焊接振幅，并明確了參數間的交互作用對性能也有顯著的影響。但所采用的試驗分析方法都是針對金屬材料，并未對PP無紡布材料進行研究探討。

文中采用正交試驗設計方法，通過測量獲得各焊接工藝參數的水平值，以PP無紡布超聲波焊接花紋處的結合力大小為試驗指標，運用極差法和方差法分析超聲波焊接工藝參數對結合強度的影響程度，以確定旋轉軸式超聲波焊接的最優工藝參數。

1 試驗材料、試驗路線及超聲波焊接裝置

醫用升溫毯由兩層PP無紡布組成，無紡布單側表面覆有薄膜(材料為PE)。超聲波裝置工作過程中產生高頻振動使無紡布接觸部位高頻摩擦，繼而溫度上升使薄膜層和纖維層熔融結合。從升溫毯上截取的試樣尺寸及焊接位置如圖1所示，試樣尺寸為150 mm × 30 mm，網狀花紋焊接寬度為10 mm，廢料裁切刃口距離花紋右側10 mm。

圖1 試樣尺寸及焊接位置圖

為確定旋轉軸式超聲波焊接的最優工藝參數，設計了正交試驗技術路線，如圖2所示。

圖2 正交試驗技術路線

根據焊邊及廢料切除的功能要求，設計了圓柱形的超聲波焊接上模，模具上設置有雕花網紋圓柱及切邊刃口圓柱，通過兩個軸徑的尺寸公差控制，可在焊接過程中同時實現邊合焊接及廢料切除，具體結構形式如圖3所示。

圖3 超聲波焊接上模結構

作為超聲波振動激勵的下模為上端平面、外徑45 mm的圓柱形鋼模。超聲波焊接裝置采用專用超聲波發生器，其頻率為20 kHz，功率3 kW，具備3檔功率可調功能，可輸出不同大小超聲波振幅。根據超聲波焊接的原理設計了旋轉軸式超聲波焊接裝置，具體結構組成如圖4所示。

圖4 旋轉軸式超聲波焊接裝置

2 焊接工藝參數測量及正交試驗設計

文中研究的旋轉軸式超聲波焊接過程，影響無紡布焊接質量的3個主要工藝參數為旋轉軸轉速、焊接壓力、振幅，三者彼此相互獨立、交互作用較小，故在正交試驗中將忽略此3因素間的交互作用。采用的超聲波焊接裝置具備3個功率檔位，通過廣陸數字測控的0～12.7 mm數顯千分表測量該裝置空載狀態下各功率檔位的焊接模具振幅值，具體參數見表1。

表1 焊接模具的振幅 mm

文中采用亞德客SR200調壓閥調節并讀取焊接壓力值，當超聲波焊接的壓力低于0.22 MPa時，因氣壓過低使氣缸運行阻滯，導致被焊無紡布的焊接深度不夠，結合強度達不到要求；當壓力高于0.4 MPa時，易出現無紡布瓷化脆裂現象，故焊接壓力宜在0.22～0.4 MPa范圍內選取，計算得到焊接壓力中間水平2的理論值為0.31 MPa，但由于壓力表的最小刻度為0.2 MPa，為試驗調節方便，壓力水平2設置為0.3 MPa。旋轉軸旋轉速度的快慢直接影響焊接時間長短。基于當前生產速度要求的80 mm/s，同時為考量不同生產速度下焊接質量狀態，分別在其兩側選取75 mm/s和85 mm/s作為試驗參數水平，采用手持式轉速儀測量上模軸心在焊接過程的實際旋轉速度，分別得到對應生產速度下的旋轉速度為31.85 r/min，33.97 r/min，36.09 r/min。

因此，在該正交試驗中將旋轉軸旋轉速度(r/min)、焊接壓力(MPa)、焊接振幅(μm)分別設為因素A、因素B、因素C，并且旋轉軸旋轉速度、焊接壓力和焊接振幅設定為3水平，根據測定值得到具體水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表

基于正交表 L9(34)進行試驗，分別在不同因素水平下焊接無紡布，取試驗號2的樣品在Sinpo視覺影像測量儀下觀察焊接花紋，其紋路形貌特征如圖5所示，可見纖維層已熔融。

圖5 焊接花紋形貌特征

焊接花紋斷面及切邊斷面的形貌特征如圖6所示，兩層無紡布熔接狀態良好。

圖6 焊接花紋及切邊斷面的形貌特征

文中以拉伸試驗中無紡布焊接花紋處的結合力為試驗指標，測量過程中保證被測樣品的拉斷部位在焊接結合處，母材斷裂的樣品不計入統計結果。如圖7所示，采用萬能試驗機測量焊接成品的結合力大小，拉伸速率設置為2 cm/min，每組試驗進行3次測試，結合力取3次測試的平均值。

圖7 焊接花紋處的結合力測量及被測樣品

3 正交試驗結果分析

正交試驗結果見表3，可以看出第3號試樣(A1B3C3)的結合力最高，為17.118 N，但是否為最優參數仍需要進一步分析。

極差法適用于分析各因素對試驗指標的影響程度，及確定最優試驗方案，其計算式為：

(1)

表3 正交試驗及試驗結果

表4 正交試驗極差分析結果

圖8 Tij變化趨勢圖

方差分析是科學試驗及數據統計分析中的重要方法之一[8]，它主要用于對試驗結果數據變動的分析，了解哪些因素對指標產生顯著影響。該研究對試驗數據進行方差分析的結果見表5，進一步探討了焊接工藝參數對焊接質量的影響。

表5 正交試驗方差分析結果

通過分析可以看出，振幅的F=256.796>F0.95;2,2=19。F1-α;x,y為方差分析中F值的對比值，其中：α代表顯著性水平；x代表來源的自由度；y代表誤差自由度。當來源的F>F1-α;x,y時，證明存在顯著性差異；旋轉軸旋轉速度F=24.256>F0.95;2,2=19，焊接壓力F=18.669

4 結論

(1)隨超聲波振幅的增大，無紡布的焊接結合強度增強，旋轉軸旋轉速度越快使得焊接時間越短，從而會降低焊接結合強度，而當無紡布被模具壓實后單獨增大壓力對焊接質量影響并不顯著。

(2)通過正交試驗分析獲得了旋轉軸式超聲波焊接PP無紡布材料的最優焊接工藝參數，具體為旋轉軸旋轉速度31.85 r/min、焊接壓力0.3 MPa、焊接振幅48 μm。