新冠疫情爆发后，口罩生产成为了一个热门行业。对于口罩的产生，除了我们耳熟能详的熔喷布，超声波焊接是其中一个重要的加工过程。口罩上随处可见的一些压痕，如封边、耳带、呼吸阀都是超声波焊接的。

超声结合技术

相对于传统的技术，例如胶合或者热焊接，超声焊接不影响材料特性。此外，超声焊接技术允许多层焊接或者层压同时进行多个工艺，如焊接、切割和打孔。

德国的Herrmann公司是使用超声波技术焊接热塑材料的专家。他们在包装、非纺织业务单元以及客户制定的方案中发现了大量超声波焊接的应用。

超声焊接如何工作

在超声焊接过程中，高频机械振动传导到需要结合的材料表面，材料处于一定的压力作用下。由于材料的表面和分子间的相互摩擦产生热量，材料局部开始变软。由于塑化材料阻尼的增加，这个反应是自加速的，因此大量的振动能量转变为热。超声波停止作用后，为了使之前塑化的材料均匀固化，需要使压力持续短暂的时间。随后，借助超声波能量结合到一起的材料就可以被进一步的加工处理。

超声波焊接过程是由超声波堆栈开始的。超声波堆栈主要有三部分组成：压电转换器A、幅值放大器B和实际作用的焊头C，如图1所示。

图1 超声波堆栈结构图

高质量的需求

就结合的稳定性、密度和表面质量而言，完成高质量的焊接的前提是适用于过程和材料的焊接工具。单个部件的振动特性是非常重要的，尤其是振动幅值。在Herrmann超声公司，超声波堆栈的所有部件都会进行单独的测试，幅值测量是其中最重要的。

振动幅值测量

针对与不同的部件，我们可以进行单点测试或者扫描式测试。压电转换器和幅值放大器是商业化的标准部件，都会标注具体的幅值输出。使用Polytec激光测振仪测试其幅值输出，确保输出结果在稳定的范围内。焊接头是单个部件，不同的工件适用不同的头。焊接头必须完美的匹配工件提供稳定的幅值，从而确保良好的焊接过程。使用三维的CAD模型来开发和设计焊头，通过在工件上制作原型。通过有限元模型分析优化振动特性，直到幅值达到规定的要求才会投入生产。使用PSV三维扫描式激光测振仪可以对物体进行三维扫描测试，测试结果可以用来修正仿真结果，使仿真的准确性进一步提高。

图2 使用激光测振仪得到的探头三维振型

使用Polytec扫描式激光测振仪测试完成的焊头的振动特性。图3显示了测试搭建：左边是PSV扫描头，右边是放置在工装上的焊头，中间显示器上PSV软件显示了被测焊头的图像。使用PSV扫描式激光测振仪测量焊头在特定频率下的振幅输出，如图4所示。专门为这个测试配置的软件可以实现安全操作并提供测试文件。测量的幅值分布再次和有限元模型对比。如有必要，可以进一步优化焊头。

图3 超声探头测试搭建

图4 探头表面幅值分布