旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接工藝參數(shù)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(yī)用升溫毯是一種在手術(shù)過程中持續(xù)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(jié)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(jié)合強度，保證充熱氣過程中不爆開。傳統(tǒng)上常采用熱合機或高溫模具實現(xiàn)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(shè)置防燙安全防護措施以保證操作人員安全。相比傳統(tǒng)熱焊方式，超聲波焊接的優(yōu)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(chǎn)生熱量、熔融固化而實現(xiàn)焊接[3]，具有短時、低溫及環(huán)保的特點。

目前，許多研究者對超聲波焊接工藝參數(shù)開展了相關(guān)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(jié)果。王衛(wèi)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(jié)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(shù)對產(chǎn)品質(zhì)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(shù)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(yōu)工藝參數(shù)。趙德望等[7]針對鎂鈦異質(zhì)金屬的超聲波焊接工藝參數(shù)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(shù)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(shè)計方法，通過測量獲得各焊接工藝參數(shù)的水平值，以PP無紡布超聲波焊接花紋處的結(jié)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(shù)對結(jié)合強度的影響程度，以確定旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 試驗材料、試驗路線及超聲波焊接裝置

醫(yī)用升溫毯由兩層PP無紡布組成，無紡布單側(cè)表面覆有薄膜(材料為PE)。超聲波裝置工作過程中產(chǎn)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(jié)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(wǎng)狀花紋焊接寬度為10 mm，廢料裁切刃口距離花紋右側(cè)10 mm。

圖1 試樣尺寸及焊接位置圖

為確定旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接的最優(yōu)工藝參數(shù)，設(shè)計了正交試驗技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 正交試驗技術(shù)路線

根據(jù)焊邊及廢料切除的功能要求，設(shè)計了圓柱形的超聲波焊接上模，模具上設(shè)置有雕花網(wǎng)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(xiàn)邊合焊接及廢料切除，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 超聲波焊接上模結(jié)構(gòu)

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(fā)生器，其頻率為20 kHz，功率3 kW，具備3檔功率可調(diào)功能，可輸出不同大小超聲波振幅。根據(jù)超聲波焊接的原理設(shè)計了旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接裝置，具體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接裝置

2 焊接工藝參數(shù)測量及正交試驗設(shè)計

文中研究的旋轉(zhuǎn)軸式超聲波焊接過程，影響無紡布焊接質(zhì)量的3個主要工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(shù)字測控的0～12.7 mm數(shù)顯千分表測量該裝置空載狀態(tài)下各功率檔位的焊接模具振幅值，具體參數(shù)見表1。

表1 焊接模具的振幅 mm

文中采用亞德客SR200調(diào)壓閥調(diào)節(jié)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(jié)合強度達不到要求；當壓力高于0.4 MPa時，易出現(xiàn)無紡布瓷化脆裂現(xiàn)象，故焊接壓力宜在0.22～0.4 MPa范圍內(nèi)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(diào)節(jié)方便，壓力水平2設(shè)置為0.3 MPa。旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度的快慢直接影響焊接時間長短。基于當前生產(chǎn)速度要求的80 mm/s，同時為考量不同生產(chǎn)速度下焊接質(zhì)量狀態(tài)，分別在其兩側(cè)選取75 mm/s和85 mm/s作為試驗參數(shù)水平，采用手持式轉(zhuǎn)速儀測量上模軸心在焊接過程的實際旋轉(zhuǎn)速度，分別得到對應生產(chǎn)速度下的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度(r/min)、焊接壓力(MPa)、焊接振幅(μm)分別設(shè)為因素A、因素B、因素C，并且旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度、焊接壓力和焊接振幅設(shè)定為3水平，根據(jù)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(tài)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(jié)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(jié)合處，母材斷裂的樣品不計入統(tǒng)計結(jié)果。如圖7所示，采用萬能試驗機測量焊接成品的結(jié)合力大小，拉伸速率設(shè)置為2 cm/min，每組試驗進行3次測試，結(jié)合力取3次測試的平均值。

圖7 焊接花紋處的結(jié)合力測量及被測樣品

3 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果見表3，可以看出第3號試樣(A1B3C3)的結(jié)合力最高，為17.118 N，但是否為最優(yōu)參數(shù)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(yōu)試驗方案，其計算式為：

(1)

表3 正交試驗及試驗結(jié)果

表4 正交試驗極差分析結(jié)果

圖8 Tij變化趨勢圖

方差分析是科學試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中的重要方法之一[8]，它主要用于對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)變動的分析，了解哪些因素對指標產(chǎn)生顯著影響。該研究對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析的結(jié)果見表5，進一步探討了焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。

表5 正交試驗方差分析結(jié)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度F=24.256>F0.95;2,2=19，焊接壓力F=18.669

4 結(jié)論

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

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