郭 棟，喬冠堯，李 亮，何 勍

兆赫頻超聲塑料焊接溫度場的數(shù)值模擬

郭 棟，喬冠堯，李 亮，何 勍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

運(yùn)用有限元軟件建立了超聲波塑料焊接仿真模型，采用多物理場耦合對兆赫頻超聲塑料焊接過程中的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了焊接過程中熱源的產(chǎn)生、分布以及焊接過程中能量的傳遞與溫度的變化。分析了超聲振幅對焊接過程溫度的影響，為兆赫頻超聲焊接振子的設(shè)計提供了依據(jù)。

超聲波；塑料焊接；兆赫頻；溫度場；數(shù)值模擬

熱塑性復(fù)合材料以優(yōu)異的性能在汽車制造、航空航天、人工智能、食品包裝、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著該類制品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，塑料連接技術(shù)的創(chuàng)新與拓展也備受科技工作者的關(guān)注，特別是超聲焊接技術(shù)，近年得到長足的發(fā)展[1-2]。超聲焊接因具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、不需要焊劑及外部加熱裝置等優(yōu)點(diǎn)，已迅速成為一種節(jié)能環(huán)保的重要連接方式[3-4]，特別在諸如醫(yī)用口罩等大批量制品的生產(chǎn)線上具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。為研究超聲焊接工作過程中的機(jī)理，近年來，有學(xué)者對超聲焊接溫度場進(jìn)行了模擬仿真研究[5-6]。

傳統(tǒng)的低頻超聲焊接裝置采用朗之萬夾心換能器（頻率一般為20～60 kHz），該類換能器包含節(jié)點(diǎn)位置的支承法蘭以及放大振幅用的變幅桿等[7]，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，不宜應(yīng)用于空間受限的特殊場合。文獻(xiàn)[8]提出了一種兆赫頻超聲焊接方法，克服了上述低頻超聲焊接振子的結(jié)構(gòu)不足。本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使超聲焊接振子微型化，在兆赫頻焊接工藝的背景下，建立超聲波塑料焊接過程中多場耦合模型，并對兆赫頻超聲焊接振子進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，研究焊接過程中熱源的產(chǎn)生及溫度的變化，旨在為兆赫頻超聲焊接振子的設(shè)計提供必要的理論支撐。

1 仿真模型的建立

兆赫頻超聲焊接系統(tǒng)由焊接振子、被焊件(PVC薄片)及底座構(gòu)成，焊接振子及底座由鋁合金(YL12)制成，焊接件尺寸參數(shù)簡化為直徑8 mm、厚0.25 mm的圓柱形上下搭接模型，如圖1所示。

圖1 超聲波焊接模型

超聲焊接工作過程中，焊接振子受到高頻電信號激勵產(chǎn)生振幅并傳遞到焊件，當(dāng)被焊件受到高頻振動時，由于材料內(nèi)部分子間的相對運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械損耗，應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合導(dǎo)致材料的滯后回路最終引發(fā)黏彈效應(yīng)[9-10]，最終在焊件結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，溫度升高導(dǎo)致被焊件熔融。本文采用有限元模擬焊接過程，金屬的損耗因子為0.001，焊接振子頂部施加100 N的焊接壓力，底座下表面為固定約束，焊接振子工作表面的振幅為70 nm。對焊接振子工作面指定70 nm的縱向簡諧位移，超聲焊接的工作頻率為1.7 MHz。溫升由下列傳熱方程給出[11]：

根據(jù)杜隆-珀蒂定律，C為常數(shù)，體積熱熔與C無關(guān)。表示單個周期內(nèi)的平均溫度。熱源Q表示非彈性（如黏性）力在該周期內(nèi)的內(nèi)部功：

式中：為損耗因子；是應(yīng)變張量；為彈性張量；Re[: Con(:)]/2為應(yīng)變能儲能密度函數(shù)。

該項(xiàng)根據(jù)在頻域中執(zhí)行的結(jié)構(gòu)分析計算得出。=0時的初始狀態(tài)是無應(yīng)力的，整個焊接結(jié)構(gòu)的初始溫度為293.15 K。耦合場仿真過程中采取導(dǎo)熱邊界條件如下。

(1)在固定端，使用的溫度條件是=293.15 K。

(2)在承受焊接壓力的一端，使用熱絕緣條件。

(3)塑料焊接面之間的邊界為內(nèi)部邊界。

(4)在所有其他邊界使用對流冷卻條件：

式中：為傳熱系數(shù)，5W/(m2·K)；ext為外部溫度，ext=293.15 K。

耦合場分析過程中所用焊接件PVC的物理參數(shù)為：密度=1 360 kg/m3，彈性模量=3.5 MPa，恒壓熱容C=1 475 J/(kg·K)，泊松比為0.38。

2 溫度場的有限元模擬

進(jìn)行溫度場模擬之前首先確定焊接材料的阻尼系數(shù)即損耗因子為0.3。材料自身的阻尼物性影響了生熱的快慢與產(chǎn)熱量，振子與被焊接件接觸面積決定了被焊件與振子之間的導(dǎo)熱量。接觸面積越大熱量擴(kuò)散越快。在高頻振動激勵下，由于焊件內(nèi)部的溫度迅速升高，焊件較差的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致溫度在內(nèi)部的熱量傳遞較慢，鋁合金振子具有較高的熱擴(kuò)散系數(shù)使焊件與振子接觸面處的熱量迅速散發(fā)，最終導(dǎo)致能量在中間層聚集。

采用熱應(yīng)力耦合場對焊接模型進(jìn)行有限元分析，分析1 s內(nèi)的溫度變化，仿真結(jié)果表明，能量最終在兩焊件總厚度的中間層聚集，最高溫度產(chǎn)生在焊件的中間區(qū)域。如圖2為1 s時刻的溫度分布圖，圖3為被焊件溫度分布的局部放大圖。

圖2 超聲焊接溫度場分布

圖3 超聲焊接溫度場分布局部放大圖

焊件由上下2層厚度為0.25 mm的PVC層疊組成，兩焊接件接觸面0.6 s時刻溫度分布圖如圖4所示。

基于高頻超聲焊接產(chǎn)熱過程，同一平面內(nèi)每點(diǎn)的溫度變化并非均勻，在焊接振子工作過程中，振子工作平面因高頻激勵產(chǎn)生縱向的交變位移及對振子施加的焊接壓力，使焊件在邊緣處的機(jī)械損耗相對其他處較高，故溫度最先產(chǎn)生在振子工作面與焊件接觸的邊緣處。

圖4 焊接件接觸面溫度分布圖

研究高頻超聲焊接過程中熱源位置的產(chǎn)生及溫度的變化，提取焊件溫度的變化及分布，由于焊接過程焊件內(nèi)部溫度的分布并不均勻，因此在焊件中心區(qū)域，沿厚度方向選取一長度為0.5 mm的直線段進(jìn)行取點(diǎn)計算，分析熱源在厚度方向產(chǎn)生的位置，如圖5所示。橫坐標(biāo)為上下兩焊件的總厚度0.5 mm，縱坐標(biāo)為溫度的變化。圖中不同的曲線由下到上表示2 s內(nèi)，從0時刻每隔0.05 s的溫度變化情況，故溫度先在厚度方向中間區(qū)域產(chǎn)生，隨著時間的變化焊件中間產(chǎn)熱區(qū)域的溫度逐漸升高，繼而由熱源產(chǎn)生的位置向四周擴(kuò)散。

圖5 PVC厚度方向溫度的變化

焊件中間層接觸面每點(diǎn)的溫度略有差異，但是總的溫升曲線是相同的，故取中間區(qū)域兩焊件接觸面一點(diǎn)，分析2 s內(nèi)的溫升曲線，如圖6所示，0.5 s內(nèi)由分子間的相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械損耗及黏彈熱效應(yīng)，使焊接件迅速升溫，1 s后溫度變化趨于平緩。

超聲波塑料焊接過程中，在相同頻率情況下，超聲振幅是影響焊接質(zhì)量的主要因素，利用多場耦合模型對超聲焊接過程進(jìn)行模擬和分析，分別采取超聲振幅為50、65、80 nm計算分析，如圖7所示，分析2 s內(nèi)不同振幅下溫度的變化，焊接過程中的溫度及溫升速率都會隨著振幅的增大而增大，隨著時間的增長，焊接區(qū)域的能量并不能有效地積累而導(dǎo)致溫度升高，增加無效的焊接時間及焊接壓力，對焊接過程中溫度的變化影響很小。工作頻率不變時，超聲焊接工作過程中超聲振幅是影響焊接質(zhì)量和效果的主要因素。

圖6 接觸面中間點(diǎn)溫升曲線

圖7 不同超聲振幅下溫度的變化曲線

3 結(jié)論

(1)采用多物理場耦合對兆赫頻超聲塑料焊接過程中的溫度場進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度最先產(chǎn)生在焊件總厚度的中間區(qū)域；溫度在焊接開始0.5 s內(nèi)迅速上升，當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃以上，開始趨于平緩緩慢升高。

(2)兆赫頻超聲塑料焊接過程中，相同頻率工況下，超聲振幅是影響焊接質(zhì)量的主要因素。而且焊接質(zhì)量與焊接振幅的大小有關(guān)，振幅越大焊接質(zhì)量越好。

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Numerical Simulation of the Temperature Field of Megasonic Welding for Plastics

GUO Dong, QIAO Guan-yao, LI Liang, HE Qing

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The simulation model of ultrasonic plastic welding was established by using finite element software, and the temperature field in the welding process of Megasonic welding for plastic was numerically simulated by using multi-physical-coupling field, and the generation and distribution of heat source, energy transfer and temperature change in the welding process were analyzed. The influence of ultrasonic amplitude on welding temperature is analyzed, which provides the necessary basis for the design of Megasonic ultrasonic welding vibrator.

ultrasonic; plastic welding; megahertz; temperature field; numerical simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.006

TG439.9

A

1674-3261(2022)06-0378-04

2020-12-18

遼寧省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(2019-2D-0691)

郭棟(1994-)，男，山東棗莊人，碩士生。

何勍(1962-)，男，遼寧錦州人，教授，博士。

責(zé)任編校：孫 林