超聲波焊接技術(shù)在衛(wèi)生用品行業(yè)的應(yīng)用

許興江 海爾曼超聲波技術(shù)（太倉(cāng)）有限公司

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波焊接技術(shù)因具有焊接速度快、做工精美、安全無(wú)副作用、生產(chǎn)成本低、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生用品行業(yè)中。本文通過(guò)對(duì)超聲波焊接技術(shù)工作原理的闡述及應(yīng)用領(lǐng)域的探究，專業(yè)分析了超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用在衛(wèi)生用品領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景。

1 超聲波焊接技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 超聲波的定義

超聲波是由某一點(diǎn)開始的擾動(dòng)所引起的，一種波長(zhǎng)極短的機(jī)械波。波形分為半波形和全波形。它必須依靠介質(zhì)進(jìn)行傳播，無(wú)法存在于真空（如太空）中。超聲波在衛(wèi)生用品、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、食品包裝行業(yè)有很多的應(yīng)用。

圖1 超聲波波形

1.2 超聲波焊接技術(shù)的基本原理

超聲波焊接裝置是通過(guò)發(fā)生器將當(dāng)前50/60Hz的電能轉(zhuǎn)變成20kHz或35kHz等頻率（當(dāng)前高端非織造布領(lǐng)域海爾曼公司通常采用20kHz），供應(yīng)給換能器。換能器由四個(gè)陶瓷芯片組成，將電能轉(zhuǎn)換成用于超聲波焊接的縱波機(jī)械振動(dòng)能，變幅桿根據(jù)結(jié)構(gòu)類型增加或者縮小振幅，傳輸轉(zhuǎn)換至焊頭。焊頭采用機(jī)械能形式將機(jī)械振動(dòng)能量釋放并傳遞至焊接件表面。振動(dòng)通過(guò)焊接工件傳給粘合面，振動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱能使焊接工件材料內(nèi)部分子和表面熔化，在熔點(diǎn)時(shí)離子或分子的排列被分解到無(wú)序狀態(tài)，短暫保持壓力可以使熔化物在粘合面固化時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)分子鍵。整個(gè)周期通常不到1s便可完成，但是其焊接效果卻接近一塊完整的材料。

圖2 超聲波焊接基本原理

1.3 超聲波焊接非織造布過(guò)程

超聲波焊接設(shè)備的底部零件是焊頭，焊頭下方是圓形底輥，非織造布放在焊頭和底輥之間。焊接過(guò)程中非織造布隨著底輥持續(xù)性向前滾動(dòng)，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱。這種摩擦熱會(huì)產(chǎn)生熔體，并可以焊接熱塑性材料。

考慮到市場(chǎng)對(duì)非織造布花紋有著多元化需求，工程師設(shè)計(jì)出了各式各樣紋路的底輥。

圖3 超聲波焊接過(guò)程

隨著我國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，大型企業(yè)間并購(gòu)整合與資本運(yùn)作日趨頻繁，國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的衛(wèi)生用品生產(chǎn)企業(yè)愈來(lái)愈重視對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的提升。行業(yè)發(fā)展初期，衛(wèi)生用品中材料的焊接大多采用熱焊、膠合等工藝，其樣式單一、產(chǎn)能低、操作繁瑣、溫度不可控等缺點(diǎn)成為了企業(yè)占據(jù)先機(jī)的絆腳石。近年來(lái)，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、功能的要求不斷提高，超聲波焊接技術(shù)被越來(lái)越多的企業(yè)采用，其生產(chǎn)成本低、效率高、操作便捷、環(huán)保健康、樣式多元化等優(yōu)點(diǎn)是被企業(yè)青睞的主要原因。通過(guò)超聲波焊接技術(shù)制造出來(lái)的非織造布柔軟親膚、健康安全，不僅大大滿足了消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求，也讓企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。

2 海爾曼超聲波焊接設(shè)備

多年來(lái)，海爾曼公司一直致力于生產(chǎn)超聲波焊接設(shè)備。其設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：①焊頭有兩側(cè)焊耳固定設(shè)計(jì)，剛性好，磨損低，從而有效提升生產(chǎn)速度；②超聲波焊接設(shè)備的定位精密、參數(shù)精準(zhǔn)且在線自動(dòng)調(diào)整、停機(jī)時(shí)間短，保證產(chǎn)品品質(zhì)一致；③面對(duì)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的流水線，超聲波焊接設(shè)備可輕松擴(kuò)展成兩組、四組或多組，多個(gè)焊頭之間保證無(wú)焊接質(zhì)量的損失；超聲波焊接設(shè)備也可根據(jù)設(shè)備集成商不同的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)進(jìn)行不同方位布置，如肩并肩式、水平式、垂直式等。

圖4 超聲波焊接設(shè)備

實(shí)際數(shù)據(jù)表明，采用超聲波焊接設(shè)備不僅可以大大提升生產(chǎn)速度和產(chǎn)品品質(zhì)，還可降低10%～20%以上的生產(chǎn)成本。

除了超聲波焊接設(shè)備外，海爾曼還研發(fā)了MICROBOND設(shè)備控制系統(tǒng)，具有以下特性：優(yōu)化開機(jī)和智能力量控制器，設(shè)置模式下的功能性安全，圖形系統(tǒng)診斷，導(dǎo)出錯(cuò)誤報(bào)告和日志，系統(tǒng)恢復(fù)工作流程，IT設(shè)計(jì)帶有安全功能。

圖5 MICROBOND超聲波焊接設(shè)備控制系統(tǒng)

3 超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用

在衛(wèi)生和醫(yī)療用品領(lǐng)域，紙尿褲、衛(wèi)生巾、口罩、手套、創(chuàng)口貼、繃帶等產(chǎn)品都相繼采用超聲波焊接技術(shù)，不需要連螺栓釘子卡扣焊接材料或粘合劑等材料，采用高焊接強(qiáng)度、無(wú)纖維切割技術(shù)、適應(yīng)各類輪廓和不同過(guò)濾層的柔軟焊接，焊接過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)硬塊和氣味，比傳統(tǒng)的粘合劑或膠水的干燥時(shí)間更快，既保證了產(chǎn)品的安全性、透氣性、舒適性，又保證了焊接的密封度。所以超聲波焊接技術(shù)在衛(wèi)生用品行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用案例：超聲波橡筋焊接技術(shù)

橡筋廣泛應(yīng)用于彈性腰圍和彈性腿部護(hù)圍等衛(wèi)生用品結(jié)構(gòu)中。

超聲波橡筋焊接技術(shù)并非是將橡筋直接焊接到非織造布上，而是通過(guò)三步驟將橡筋固定在兩層非織造布之間的指定通道中，分別為：

1.焊接前橡筋拉伸（外徑?縮小），傳送至兩層非織造布之間（見圖6，橡筋由焊頭底面上設(shè)計(jì)的凹槽導(dǎo)向）；

圖6 橡筋位于兩層非織造布之間

2.通過(guò)超聲波焊接將橡筋束縛在非織造布焊接區(qū)域的點(diǎn)陣中（點(diǎn)陣取決于底輥設(shè)計(jì)，分布于橡筋兩側(cè)）；

3.焊接后產(chǎn)品依靠橡筋自然收縮（外徑?增大），從而被完全固定在非織造布焊接區(qū)域的點(diǎn)陣中。

圖7 橡筋固定在非織造布焊接區(qū)域之間

超聲波橡筋焊接分為兩種不同的工藝：連續(xù)焊接和斷續(xù)焊接。連續(xù)焊接主要應(yīng)用于腰部護(hù)圍，橡筋固定的主要要求：橡筋線沿著整個(gè)焊接區(qū)域固定，而不會(huì)在焊接點(diǎn)之間滑移。斷續(xù)焊接應(yīng)用于腿部護(hù)圍。橡筋固定的主要要求：橡筋線只能在非焊接區(qū)域內(nèi)收縮，橡筋線只能固定在焊接區(qū)域內(nèi)。

對(duì)于這兩種不同的超聲波橡筋焊接方式，可以分別采用蠕變效應(yīng)和快速回彈效應(yīng)來(lái)評(píng)估其橡筋材料的品質(zhì)。

圖8 橡筋材料的超聲波連續(xù)焊接和斷續(xù)焊接

在衛(wèi)生用品生產(chǎn)中，使用超聲波橡筋焊接技術(shù)可以取代膠水，從根本上解決了膠水原材料消耗、能源消耗、成本高、性能低、觸感差等問題。因此，采用超聲波焊接工藝具備以下顯著優(yōu)勢(shì)：可持續(xù)性、可靠性、柔軟性、低成本，以及橡筋線的固定不改變材料的化學(xué)/物理性質(zhì)。

隨著超聲波焊接技術(shù)的不斷優(yōu)化，它的優(yōu)點(diǎn)也在接連不斷地為客戶帶來(lái)驚喜，例如效率高、成本低、焊接過(guò)程可持續(xù)性、產(chǎn)品的觸覺和穿著舒適等。

超聲波焊接技術(shù)必須針對(duì)每個(gè)客戶的需求來(lái)具體定義，如果設(shè)置得當(dāng)，生產(chǎn)線速度和開機(jī)率對(duì)焊接質(zhì)量的影響較小，生產(chǎn)線速度提高的空間非常大。目前，此技術(shù)的主要應(yīng)用在衛(wèi)生用品行業(yè)，例如嬰兒/成人紙尿褲、衛(wèi)生巾等產(chǎn)品，未來(lái)將逐漸廣泛應(yīng)用到其他行業(yè)，成為清潔能源新趨勢(shì)。