聲波的概念和分類
波是由某一點開始的擾動所引起的，并按預定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c上。聲波是彈性介質(zhì)中振動能量的傳播，一種彈性機械波。在流體或固體介質(zhì)中，質(zhì)點偏離其平衡位置時，就引起介質(zhì)內(nèi)部的彈性恢復力，該彈性恢復力與系統(tǒng)的慣性相耦合， 使得介質(zhì)質(zhì)點的振動不斷的傳到相鄰質(zhì)點，從而產(chǎn)生和發(fā)射聲波。聲波是一種彈性機械波。人耳所能聽到的聲波的頻率范圍通常在20Hz 至 20KHz之間，叫做可聽聲，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）。這些人耳聽不見的聲音對人類的生活有重大的影響， 同時也有著廣泛的應用和開發(fā)前景。
表1 聲波的分類與特點
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聲波的分類 |
頻率/ Hz |
特點 |
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次聲波 |
〈20 |
人耳聽不到，傳播衰減很少，傳播距離很遠。 |
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可聽聲 |
20-2×104Hz |
人耳可聽到。 |
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超聲波 |
2×104Hz-2×109Hz |
傳播頻率較高，傳播方向性較強，介質(zhì)振動強度大， 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，波長短，頻段大致與微波相對應。 |
超聲波區(qū)別于普通聲波的特點是：頻率高、波長短、能量大，傳播過程中反射、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)由換能設備轉(zhuǎn)化為同頻率的縱向機械振動 ，之后將這一變化通過振幅調(diào)整裝置傳遞至焊接頭，焊接頭再將收到的振動能量傳遞給焊接原件的結(jié)合處，在兩個焊接的交界面處聲阻較大的區(qū)域應用摩擦將振動能量轉(zhuǎn)化成熱能產(chǎn)生局部高溫，熱量聚集在焊接材料的中間，由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發(fā)，使得塑料接觸面迅速融化，在應力作用下，使粘接面融合在一起。 超聲波焊接可以應用于大多數(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，具有廣泛的應用前景。這種焊接強度能接近于原材料強度，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)，對粘接件的彈性和機械強度影響很小，符合工程粘接的工藝技術(shù)要求。
超聲波焊接過程：
電源啟動一觸發(fā)控制信號氣壓傳動系統(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間，去除超聲發(fā)射，繼續(xù)保持一定壓力時間，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)生分子間擴散，并實現(xiàn)塑料之間的焊接。
圖 2 超聲波焊接過程的 4 個階段
第一階段焊頭與零件接觸，施壓并開始振動 。摩擦發(fā)熱量熔化導能筋，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，然后在熔化的導能筋鋪展并接觸下零件表面時放慢增速 。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 。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)過設定的時間或達到特定的能量 、功率級或距離之后，電源切斷，超聲振動停止，開始進入第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達到最大位移量，并發(fā)生分子間擴散 。
超聲波焊接技術(shù)被廣泛應用與各個領域，技術(shù)也在不斷的實踐中逐漸成熟，在超聲波塑料焊接過程中，針對設備型號選用，焊料選用及焊接導熔線的設計都將影響焊接品質(zhì)。因此在購買超聲波塑料焊接設備前要對相關(guān)進行把控，提升塑料焊接質(zhì)量。
