超声波粘合技术

显示全部楼层 · 发表于设备 2010-7-29 17:45

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由于赋予产品独特的性能，同时在加工成本上也具有优势，超声波成为一种非常有吸引力的可以取代其它粘合方法的加工技术，多年以来，连续超声波粘合技术在纺织工业中主要应用于对绗缝产品的加固，曾经试图将超声波技术向非织造布行业推广，但由于非织造布采用高速生产、对粘合质量要求较高、生产过程控制问题及超声波设备部件产生的过度磨损等问题，使得这种尝试失败了。

      Herrmann Ultrasonics 公司开发了一种新式的连续超声波粘合技术，克服了常规超声波设备存在的上述缺点，对整个粘合加工过程能够进行控制，这项技术已经由该公司申请了专利。采用Herrmann Ultrasonics 公司的超声波粘合技术，即使在高速生产非织造布时也可以得到较好的粘合质量，并且不会对常规超声波设备造成磨损。

      本文将对超声波的工作原理进行介绍，包括超声波连续粘合技术的基本知识，同时介绍了新型的、全程可控的超声波粘合技术，并配有例子进行详细说明。

      超声波的工作原理

      为了更好了解超声波粘合技术对非织造布及膜加工的优势及限制，有必要对该技术的基本原理进行必要回顾。

      超声波粘合是采用声波的原理使热塑性材料，如非织造布、膜、塑料及涂层等材料的分子之间产生粘合的过程，在粘合时，机械震动是以一定的频率、振幅作用于被粘合材料。频率在20 kHz到1 GHz范围内的机械波为超声波，它超出人类正常听觉的范围，超声波系统利用频率在20 kHz、30 kHz、35 kHz和40 kHz的声波进行工作，是由超声波发生器产生的，发生器将线路电压转变为高压/高频信号，并传送给换能器，在换能器中，处于两个钛盘中间的压电晶体产生震动（以与外加电子信号相同的频率进行伸缩），这种震动将产生非常快的机械运动，如每秒进行20,000次震动，振幅值非常小，峰与峰间距为18微米。

      将这种机械震动应用于超声波粘合，在大多数情况下，振幅的大小是不够的，必须进行增幅处理。将换能器与振幅耦合器相连，可以增加振幅，通常的振幅增值比例为1:2.0。通过将焊接喇叭与振幅耦合器的底部相连，能够进一步将振幅增加2.3倍，然后通过压力将处于粘合面和销钉间的材料产生粘合。

      从图2中的超声波装置结构（包括换能器、振幅耦合器及焊接喇叭）可以看出，焊接喇叭的工作振幅可以达到80微米，焊接喇叭及振幅耦合器均由一种非常特殊、耐久的钛合金制成。这时所产生的振幅其实是焊接喇叭的伸缩幅度，图3说明了振幅的发生以及伸缩过程。

      除了伸缩振幅外，还要对材料施加一定的压力使其产生粘合。加压外力的大小取决于被粘合材料的性质及粘合面积的大小，为了能够取得均匀一致的粘合质量，两个主要的工艺参数：振幅及加压外力必须在整个工作过程中保持一致。

      连续超声波粘合的工作原理

      连续超声波粘合设备包括带销钉的滚筒和超声波发生装置（换能器、振幅耦合器及焊接喇叭）。超声波发生装置是安装在销钉滚筒的上面，在焊接喇叭和滚筒之间有一段非常小的缝隙，一般在10-40微米之间（头发的直径也只有约90微米）。当焊接喇叭产生不断伸缩的震动时（每秒进行20,000次），被粘合材料通过喇叭和滚筒之间，在伸幅阶段，喇叭对被粘合材料施力产生挤压。热塑性材料在这种超声波的激励作用下，纤维内部分子之间急剧摩擦产生热量，当温度达到被粘合材料的熔点时，与销钉接触区域的纤维迅速熔融；在缩幅阶段，喇叭和滚筒之间缝隙增大，允许被粘合材料快速通过，不会产生堆积。

      在加工过程中，对被粘合材料施加的能量取决于喇叭的振幅和加压外力的大小。如果振幅保持恒定，即80微米，则通过调整喇叭和销钉滚筒间缝隙的大小就能够改变材料的粘合牢度：如果将缝隙调大，被粘合材料受压变小，可产生较轻的粘合效果；如果缝隙小，施压加大，产生非常好的粘合效果。通过改变销钉滚筒的设计，粘合性能和粘合的外观效果可以根据不同客户的要求而变化。

      为了取得均匀一致的粘合质量，对加压外力和振幅这两个工艺参数进行合理控制是非常重要的。多年来，连续超声波粘合系统不能对加压外力进行良好控制，这样将导致不均匀的粘合质量、烧穿被粘合材料、生产速度慢及对设备的磨损度高的后果产生。

      Herrmann Ultrasonics公司生产的完全数字化控制的超声波发生器，能够保证喇叭以和谐一致的振幅进行震动，代表了最新的技术发展水平，保证即使在高速生产过程中也可以获得高质量粘合效果，完全排除了对超声波焊接喇叭和销钉滚筒的磨损。目前，公司已对这项技术已经申请了专利，名称为 “带有微隙控制的非接触/无磨损超声波粘合系统”，专利内容包括：

      ◆ 微隙控制的非接触/无磨损超声波粘合系统能够使焊接喇叭和销钉滚筒之间的缝隙保持精确不变；
      ◆ 超声波装置中，焊接喇叭安装在铸造金属工具套中，防止了在生产过程中可能产生的任何偏移；
      ◆ 该系统可通过步进电机对焊接喇叭的高度进行非常精确的调节，这样能够通过改变焊接喇叭和销钉滚筒之间的距离，来完成对作用于被粘合材料加压外力的调整。

      连续超声波粘合系统存在的另一个问题是焊接喇叭的热膨胀：在粘合工作过程中，超声波装置不断的产生伸缩震动，将使装置本身和销钉滚筒的温度升高，因此导致设备部件产生热膨胀，这样会减小焊接喇叭和销钉滚筒间的距离。结果会使被粘合材料上的加压外力增加，引起材料的过对怀合或烧穿材料，如果不调整喇叭的位置，喇叭甚至会“长”到销钉滚筒里面，导致销钉和滚筒产生磨损。

      Herrmann Ultrasonics公司的MICROGAP—微隙控制系统能够非常好的解决这个问题，可以自动对设备部件产生的热膨胀进行补偿，使喇叭和销钉滚筒间的距离保持恒定，确保了粘合质量的均匀一致，同时，避免喇叭与销钉滚筒之间可能产生的任何接触，极大地降低了对设备的磨损。

      对缝隙的精确控制及喇叭的稳固安装能够使在生产速度高达1500英尺/分或500米/分时，也可以达到均栽怀合的目的。同时，传动装置的模块化设计允许同时装配多个喇叭，喇叭之间平行放置，可以使工作幅宽达到120英寸/3米或者更宽。

      此外，Herrmann Ultrasonics公司开发的非接触/非磨损超声波系统具有在线调整传动的功能，即使在生产速度发生变化时也能取得均匀的粘合效果，如生产线在变速调整的时候，为了使所产生的粘合质量与高速生产的效果协调一致，较低的生产速度通常需要较小的加压外力，当线速度信号在0-10 V变化时，系统能够自动将加压外力调整到与生产速度相匹配的大小，而不需要人工进行调节。

      超声波粘合的优点

      超声波粘合技术具有以下特点：

      成本低：超声波粘合技术利用了被粘合材料的热塑性，不使用任何粘合剂；超声波只在粘合点处产生作用，能耗低。

      延长了设备的工作时间：采用超声波粘合系统，不会产生由于使用粘合剂所造成的任何沾污、喷洒粘合剂的喷嘴堵塞或粘合剂喷头控制模块的损坏所造成的停机现象。

      加工过程的优势：超声波粘合系统不需要任何加热时间，可以随着工艺参数的变化迅速做出反应；被粘合材料在经过喇叭和销钉滚筒之间后立刻能够产生熔融，并获得足够的粘合强度，而不需要进行冷却处理；可以同时对多层材料进行粘合加工；粘合点是不连续的，能够产生不同种类的粘合外观。

      产品性能的改进：整个超声波粘合过程不使用任何加热部件，除了粘合点之外，对非织造布的其它部分纤维不会产生任何影响。

      对不同材料的粘合：虽然具有不同熔点的材料很难产生均匀的粘合，但是通过超声波技术能够使多种复合在一起材料产生足够的机械强度，这是由于低熔点的材料在粘合点处首先产生熔融，把处于该位置的其它材料粘结包覆起来，因而产生了较好的粘合强度。

      应用实例：

      超声波技术可应用于以下加工过程：复合/ 粘合加工；凹凸轧花加工；打孔；切割；拼接。

      此外，随着加工速度的提高，超声波粘合技术在非织造布中的应用将不断拓展，可用于加工的产品包括：

      卫生领域：尿布、妇女卫生用品、成人失禁用品、擦布；医疗领域：医院用工作衣及手术服、医用床褥、外科用垫布；家用产品领域：擦布、地板擦拭器、除灰用擦布、茶叶袋、咖啡袋、真空吸尘器袋；服装领域：衬里、商标、办公室用品、CD 防护袋、书籍的保护层；家用装饰：枕套、弹簧床垫罩、棉被、铺地板的材料；工业用领域：空气过滤器、电池隔膜、乙烯基皮革、防护连衣裤、面罩、展示罩；建筑领域：内顶板、保温材料；土工领域：各种地面铺置材料。

      结语：本文所介绍最先进的带有微缝隙控制装置的超声波粘合系统，完全能够满足当今非织造布领域的高速生产及对产品的高质量要求，同时排除了常规超声波设备所可能产生的对部件磨损及粘合质量不均匀的缺陷。因此，凭借着在技术和成本上的优势，超声波粘合技术必将在非织造布领域有着非常好的应用前景。