聲波的概念和分類
波是由某一點(diǎn)開始的擾動(dòng)所引起的，并按預(yù)定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。聲波是彈性介質(zhì)中振動(dòng)能量的傳播，一種彈性機(jī)械波。在流體或固體介質(zhì)中，質(zhì)點(diǎn)偏離其平衡位置時(shí)，就引起介質(zhì)內(nèi)部的彈性恢復(fù)力，該彈性恢復(fù)力與系統(tǒng)的慣性相耦合， 使得介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)不斷的傳到相鄰質(zhì)點(diǎn)，從而產(chǎn)生和發(fā)射聲波。聲波是一種彈性機(jī)械波。人耳所能聽(tīng)到的聲波的頻率范圍通常在20Hz 至 20KHz之間，叫做可聽(tīng)聲，頻率位于 2×104Hz— 2×109Hz 的聲波叫超聲波（supersonic wave），頻率低于20Hz 的聲波叫次聲波（infrasonic wave）。這些人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲音對(duì)人類的生活有重大的影響， 同時(shí)也有著廣泛的應(yīng)用和開發(fā)前景。
表1 聲波的分類與特點(diǎn)
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聲波的分類 |
頻率/ Hz |
特點(diǎn) |
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次聲波 |
〈20 |
人耳聽(tīng)不到，傳播衰減很少，傳播距離很遠(yuǎn)。 |
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可聽(tīng)聲 |
20-2×104Hz |
人耳可聽(tīng)到。 |
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超聲波 |
2×104Hz-2×109Hz |
傳播頻率較高，傳播方向性較強(qiáng)，介質(zhì)振動(dòng)強(qiáng)度大， 在流體中傳播可產(chǎn)生空化現(xiàn)象。 |
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特超聲 |
2?×109Hz-2×1012Hz |
傳播衰減很大，波長(zhǎng)短，頻段大致與微波相對(duì)應(yīng)。 |
超聲波區(qū)別于普通聲波的特點(diǎn)是：頻率高、波長(zhǎng)短、能量大，傳播過(guò)程中反射、折射、 共振、損耗能現(xiàn)象顯著。
超聲波塑料焊接原理及過(guò)程
超聲波塑料焊接（ ultrasonic welding ）是一種非接觸性焊接方式，超聲波焊接的原理是是通過(guò)超聲波發(fā)生器將 50/60 赫茲電流轉(zhuǎn)換成 15、20、30 或 40 KHz高頻電能，轉(zhuǎn)化之后的電能在經(jīng)由換能設(shè)備轉(zhuǎn)化為同頻率的縱向機(jī)械振動(dòng) ，之后將這一變化通過(guò)振幅調(diào)整裝置傳遞至焊接頭，焊接頭再將收到的振動(dòng)能量傳遞給焊接原件的結(jié)合處，在兩個(gè)焊接的交界面處聲阻較大的區(qū)域應(yīng)用摩擦將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成熱能產(chǎn)生局部高溫，熱量聚集在焊接材料的中間，由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，使得塑料接觸面迅速融化，在應(yīng)力作用下，使粘接面融合在一起。 超聲波焊接可以應(yīng)用于大多數(shù)工程塑料的粘接工藝中，成為粘接工藝的重要技術(shù)資源之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。這種焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度，材料特性不發(fā)生直接影響和變化的焊接方式，具有保持材料相關(guān)塑性特質(zhì)，對(duì)粘接件的彈性和機(jī)械強(qiáng)度影響很小，符合工程粘接的工藝技術(shù)要求。
超聲波焊接過(guò)程：
電源啟動(dòng)一觸發(fā)控制信號(hào)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，氣缸加壓焊頭下降并壓住焊件觸發(fā)超聲波發(fā)生器工作，發(fā)射超聲并保持一定焊接時(shí)間，去除超聲發(fā)射，繼續(xù)保持一定壓力時(shí)間，退壓，焊頭回升，焊接結(jié)束。
塑料的超聲波焊接具體包括以下4個(gè)階段，如圖2所示，分別是融化階段、耦合階段、穩(wěn)定融化階段和保壓冷卻階段。最終發(fā)生分子間擴(kuò)散，并實(shí)現(xiàn)塑料之間的焊接。
圖 2 超聲波焊接過(guò)程的 4 個(gè)階段
第一階段焊頭與零件接觸，施壓并開始振動(dòng) 。摩擦發(fā)熱量熔化導(dǎo)能筋，熔液流入結(jié)合面 。 隨著兩零件之間距離的減少，焊接位移量( 兩零件之間由于熔體流動(dòng)產(chǎn)生的距離減小值) 開始增加 。 起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的導(dǎo)能筋鋪展并接觸下零件表面時(shí)放慢增速 。在固態(tài)摩擦階段，發(fā)熱是由于兩表面之間的摩擦能和零件中的內(nèi)摩擦產(chǎn)生的 。 摩擦發(fā)熱使聚合物材料升溫至其熔點(diǎn) 。發(fā)熱量取決于作用頻率 、振幅和壓力；
第二階段熔化速度增加導(dǎo)致焊接位移量增大及兩零件表面相接觸 。此階段形成薄的熔化層，由于持續(xù)發(fā)熱，熔化層厚度增加 。此階段的熱量是由粘性耗散( viscous dissipation ) 產(chǎn)生；
第三階段焊縫中溶液層厚度保持不變且伴隨 著恒溫分布，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熔化；
第四階段在經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間或達(dá)到特定的能量 、功率級(jí)或距離之后，電源切斷，超聲振動(dòng)停止，開始進(jìn)入第4階段 。壓力得以保持,使部分額外熔液擠出結(jié)合面。在焊縫冷卻和凝固時(shí)達(dá)到最大位移量，并發(fā)生分子間擴(kuò)散 。
超聲波焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)也在不斷的實(shí)踐中逐漸成熟，在超聲波塑料焊接過(guò)程中，針對(duì)設(shè)備型號(hào)選用，焊料選用及焊接導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)都將影響焊接品質(zhì)。因此在購(gòu)買超聲波塑料焊接設(shè)備前要對(duì)相關(guān)進(jìn)行把控，提升塑料焊接質(zhì)量。
