1. 概述
超聲波焊接是工業上最常見的塑料焊接工藝之一。這一過程最重要的三個參數：振幅、持續時間（焊接時間）和力（焊接壓力）。焊接時間和壓力是在工藝開發後期容易調整的參數。而振幅往往開發前期已經確定，且後期改變困難，因此必須提前設計好適合的振幅。
儘管根據行業積累的經驗，許多通用材料有推薦的設計振幅。但是由於新開發的專用材料正在迅速增加，因此希望有一種實驗方法來確定材料所需的最小振幅。在這裡，我們介紹了一種確定最小所需振幅的可行方法。
焊頭輸出振幅的大小取決於設備頻率、換能器輸出振幅、調幅器（變幅杆）的變比，以及焊頭外形設計。一種典型的焊頭設計方法是：在低於材料疲勞極限應力的條件下，焊頭設計的變比越大越好（即輸出振幅越大越好）。如果需要減小振幅，通過更換更小變比的調幅器，或者調整電壓來減小振幅。
然而，這種設計方法有一些缺點：
- 無法平均分配變比，即焊頭變比與調幅器變比差異大。應注意：當焊頭與調幅器有接近的變比時，超聲波三聯組（換能器+調幅器+焊頭）的性能就會提高。
- 通過改變電壓來降低焊頭變比，同時會降低電箱輸出的最大功率。例如，當振幅設置為50%時，原本輸出功率2400W的電箱，實際輸出為1200W。容易造成過載。
- 使用大振幅，會導致無法接受的零件損傷。例如，小橫截面積的位置開裂，外觀燙傷，並可能對薄膜、過濾膜和電子元器件造成損傷。
由於以上原因，前期定義好超聲波焊接塑料所需的最小振幅非常重要。
2. 振幅計算
傳遞到塑料件上的振幅大小是換能器輸出振幅，調幅器變比和焊頭變比三者的乘積。
換能器輸出振幅、調幅器變比由超聲波設備製造商提供，往往是固定的。但焊頭變比是可以設計的。
焊頭變比有一個近似的計算公式：焊頭變比=焊頭節點上方的質量÷焊頭節點下方的質量。由於材料密度和長度相同，該公式簡化為：焊頭變比=焊頭節點上方的橫截面積÷焊頭節點下方的橫截面積×0.8。其中0.8係數是考慮節點處圓角過渡的影響。
通過這種方法，計算以下試驗中焊頭理論輸出振幅為13.9um（峰值到峰值）。實測振幅為15um（峰值到峰值）。兩者接近。
3. 試驗過程
選擇一種非晶材料PC，以及一種半結晶材料PP進行實驗，以確定兩者材料所需要的最小振幅。
Dukane伺服驅動的超聲波焊接設備，非常適合用於確定最小振幅試驗。因為其焊頭可以懸停，且生成壓力測量數據，並與超聲波振動振幅等數據關聯起來。從本質上說，設備其“Melt-match”功能（熔速匹配功能）允許焊頭以設定的壓力接觸產品，停止下降並觸發超聲振動。超聲振動傳遞到塑料焊縫位置。一旦設備測量到壓力下降，表面聚合物已經開始熔化。然後焊頭開始向下運動。
這一重要功能，可以幫助我們在給定的振幅和壓力條件下，測量出塑料熔化開始時間。我們定義從超聲波起振點到壓力下降點的時間叫做“熔化啟動時間”。對每種材料在不同振幅下繪製了熔化啟動時間圖。此外，對零件進行拉力測試，以確定振幅對焊接強度的影響。
4. 結果與討論
熔化啟動時間和拉力測試結果見下圖。有趣的是，PP隨著振幅的增加，強度逐漸增加，熔化啟動時間減小。而PC有一個明確的振幅，低於這個振幅，材料不熔化。
我們普遍認為：非結晶材料PC，在溫度高於玻璃化轉變溫度後，隨著溫度增加會表現出逐漸軟化特性。而半結晶材料PP在達到熔點時會表現出突然液化的現象。
在這次實驗中，PP的逐漸變化的特性可能是由於這種材料的柔軟導致。PC急劇變化特性可能是因為使用的振幅不在正確的範圍內導致。需要進一步進行實驗，例如增大PC振幅區間，或對焊縫位置的溫度進行測量等。
5. 結論
這項工作提供了一種確定塑料所需最小振幅的實驗方法和框架。材料開始熔化時間，與振幅、焊接強度的強相關性，也表明了這種估計最小所需振幅的測試方法是可行的
