一种用于口罩焊接的超声振动系统

楼成淦 金杭超 王钊利 陈旭明

（杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，310023）

超声技术已经成功应用于国民经济中的各个行业，如超声波加工、焊接、乳化、破碎和清洗等。超声波焊接[1-2]不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，也不消耗大量能源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点，广泛应用于工业塑料焊接和无纺布加工。其中，一次性口罩生产是无纺布应用的一个重要分支，生产过程中使用超声波设备进行口罩打片和耳带焊接，可以提高口罩的生产效率和产品质量。

1 一维纵向振动理论

任何形状的振动系统可以简化成若干个小直圆锥体的组合，见图1。

图1 直圆锥喇叭

忽略横向振动，假定作简谐振动，振动速度方程[3]：

式中，ω/C=k。式（1）的通解：

由式（2）、（3）、Z1=ρCS( 0)和Z2=ρCS(1)计算得到无源材料等效网络：

图2 圆锥喇叭四端网络及等效电路

同理得到有源材料的等效网络：

式中，S、l分别为圆片的面积和厚度；ρ、、n分别为密度、横D纵向声速和机电转换系数。

图3 陶瓷圆片厚度振动等效网络

2 系统组成

超声波振动系统[4]（如图4）主要包括超声波换能器、变幅杆和模具，将高频电信号转换为模具机械振动，模具作用在塑料组合件的上表面，再传递给焊接区，由于两个焊接的交界面声阻高，会产生局部高温，热量在较短的时间内难以散发出去，使焊接件的接触部位迅速融化，保压一定时间后材料便融合在一起。

图4 超声波塑料振动系统

2.1 15 kHz大功率超声波换能器

大功率超声波换能器一般为夹心式结构，如图5所示，由前盖板、陶瓷元件、后盖板、螺杆、电极片和螺帽组成，通过螺帽锁紧螺杆给陶瓷元件施加预应力。采用PZT8陶瓷元件，尺寸为Ф60×Ф30×9 mm，前盖板和后盖板的材料采用铝，螺帽和螺杆的材料采用40Cr。理论计算忽略螺杆，采用四端网络法分析得到换能器的阻抗数据如图6，实测阻抗数据见图7，两者数据比较见表1。

图5 换能器结构示意图

图6 计算结果

图7 实测数据

表1 数据比对表

表中，fr为谐振频率fa为反谐振频率，

2.2 变幅杆

超声换能器的位移振幅只有几μm，用于塑料焊接的位移振幅需要几十甚至几百 μm量级，需要通过变幅杆实现振动位移放大，同时具有机械阻抗变化功能，使换能器更好地与声负载匹配耦合声能[5]。本文中15 kHz的变幅杆采用圆锥形变幅杆，利用 ANSYS软件进行仿真计算，谐振频率14.79 kHz，前后振幅比2.2。

图8 圆锥形变幅杆振动模态

2.3 焊接模具

为了满足 N95口罩大片需求，本文设计了270×20 mm和150×45 mm两款辐射面的宽刃形模具（图9和图10），材料采用工具钢。由于模具的宽度比较长，横向耦合振动比较严重，造成辐射面的振动位移不均匀，设计中通过横向开窗，减少横向耦合，实现辐射面振幅均匀。采用 CAD软件和有限元软件ANSYS 相结合的方法优化开窗的数目和尺寸，优化后模具的振幅位移均匀和模态干净，270×20 mm和150×45 mm的谐振频率分别为14.89 kHz和14.85 kHz，满足使用要求。

图9 270×20 mm宽刃形模具及模态

图10 150×45 mm宽刃形模具及模态

2.4 超声波振动系统

根据设计要求完成了超声波振动系统各个部件的制作，通过连接螺杆把换能器、变幅杆和模具连接在一起（图11和图12）。使用阻抗分析软件对其性能进行测试，测试数据见表2及图13～14。

图11 270×20 mm超声波振动系统

图12 150×45 mm超声波振动系统

表2 测试数据表

图13 270×20 mm实测导纳数据

图14 270×20 mm实测导纳数据

3 试验分析

实验采用自研的超声波智能电源 RC-IUP-V，电源的控制由数字信号处理器完成，包括输出PWM 波、反馈信号采样、振幅控制等，实现全数字化设计。电源信号控制精度达0.01 Hz，功率输出稳定，交互灵活。电源主要技术指标：

工作电源：单相，市电，220 VAC，50 Hz/60Hz;

额定工作电流：10 A；

输出超声频率：15～70 kHz；

输出额定电压：1 300 V（有效值）；

输出额定电流：3 A（有效值）；

机箱尺寸（mm）：390×300×135(D×W×H)

机箱重量：3 kg。

上述设计的超声波振动系统应用于N95口罩打片，另外还设计了20 kHz 的超声波振动系统应用N95口罩的耳带焊接。N95口罩生产的系列设备的构成如图15所示。设备的现场安装情况见图16（15 kHz、270×20 mm 模具）、图17（15 kHz、150×45 mm模具）。设备现场运行稳定，模具的发热量小，口罩的生产质量（图18）满足要求。

图15 口罩生产的系列设备组件

图16 模具工作现场一

图17 模具工作现场二

图18 N95口罩

4 结论

本文中利用解析法和有限元软件对应用于N95口罩生产的超声波振动系统进行设计，依据设计结果进行了产品的研制。振动系统的各部件性能指标满足设计要求。产品已在N95口罩生产线使用，性能稳定可靠，口罩生产过程中不存在过焊和漏焊，焊点结实牢靠。

研发背景简介：

疫情发生以来，口罩、防护服需求剧增，口罩机和压条机（用于防护服加工）也是一机难求。从源头想办法扩产能，国资央企勇挑重担。按照国务院办公会议决策部署，国务院国资委安排相关中央企业承担医疗物资生产关键设备研制生产紧急攻关专项任务，中国船舶集团开展口罩机、压条机等关键防疫物资生产设备的紧急研制攻关和量产。

超声波焊接设备广泛应用于无纺布熔接生产环节，是口罩生产线的关键配套部件，如同一台不用线的“缝纫机”，高效精密地缝制出一个个口罩。该设备是中国船舶第七一五研究所旗下杭州瑞利超声科技有限公司的主打产品之一。

经过昼夜的连续奋战，中国船舶集团完成了N95口罩机、平面口罩机、压条机等三型关键设备样机试制工作，性能指标完全满足设计要求，并全面铺开量产设备的总装调试，实现了量产设备交付。已交付压条机、平面口罩机和超声波点焊机50余台套。

节选《经济日报》2020年3月4日报道