1 前言

隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，可以用來清洗微小臟污顆粒，也可以用于金屬或塑料的焊接。尤其是現(xiàn)在的塑料制品，大多采用超聲波焊接，因為省去了螺釘結(jié)構(gòu)，可以使得外觀更完美，而且還有防水防塵的功能。其中塑料焊接工裝（Horn）的設(shè)計對最終焊接質(zhì)量和生產(chǎn)能力有著重要的影響。在新型電表的生產(chǎn)中也是使用超聲波將上下兩個面殼融合到一起，但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)，有的工裝安裝到機器上使用很短一段時間就發(fā)生開裂等失效，有的工裝焊接產(chǎn)品的缺陷率較高。各種故障對生產(chǎn)造成了相當嚴重的影響。根據(jù)了解，是由于設(shè)備供應(yīng)商對工裝的設(shè)計能力有限，往往是通過反復(fù)修模來達到設(shè)計指標。因此我們有必要利用自身的技術(shù)優(yōu)勢開發(fā)耐用的工裝以及一套合理的設(shè)計方法。

2 超聲波塑料焊接原理

超聲波塑料焊接是利用了熱塑性塑料在高頻受迫振動時，焊接面相互摩擦產(chǎn)生局部高溫融化結(jié)合的一種加工方法。為了達到良好的超聲波焊接效果，需要設(shè)備、物料和工藝參數(shù)等幾方面的配合。以下簡單介紹其原理。

2.1 超聲波塑料焊接系統(tǒng)

圖1是焊接系統(tǒng)的示意圖。電能通過信號發(fā)生器和功放，產(chǎn)生超聲頻率（> 20 kHz）的交變電信號，加到換能器上（壓電陶瓷）。經(jīng)過換能器，電能變?yōu)闄C械振動的能量，機械振動的振幅由變幅器調(diào)整至合適的工作振幅，然后通過工具頭（焊接工裝），均勻地傳遞到與之接觸的物料上。兩個焊接物料的接觸面做高頻受迫振動，摩擦生熱導(dǎo)致局部高溫融化，冷卻后物料結(jié)合到一起，實現(xiàn)焊接。

圖1： 超聲波塑料焊接系統(tǒng)示意圖

在焊接系統(tǒng)中，信號源是電路部分，包含功放電路，其頻率穩(wěn)定性和驅(qū)動能力會影響到機器的性能。物料是熱塑性塑料，結(jié)合面的設(shè)計需要考慮如何快速產(chǎn)生熱能和對接良好。換能器、變幅器和工具頭都可看作機械結(jié)構(gòu)，便于分析其振動的耦合。在塑料焊接中，機械振動是以縱波的形式傳遞的，如何有效傳遞能量和調(diào)整振幅是設(shè)計的要點。

2.2 工具頭（焊接工裝）

工具頭作為超聲波焊接機和物料的接觸界面，其主要功能是將由變幅器輸出的縱向機械振動均勻有效地傳遞到物料上，所用的材料通常是優(yōu)質(zhì)鋁合金甚至鈦合金。因為塑料物料的設(shè)計變化多，外型千差萬別，工具頭也要隨之而變化。工作面的形狀要與物料配合良好，在振動時才不至于損傷塑料表明；同時其一階縱向振動固由頻率要與焊接機的輸出頻率協(xié)調(diào)，否則振動能量會被內(nèi)耗掉。工具頭在振動時，局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中，如何優(yōu)化這些局部結(jié)構(gòu)也是設(shè)計時需要考慮的問題。本文就如何應(yīng)用ANSYS設(shè)計工具頭，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)和制造公差進行探討。

3 焊接工裝的設(shè)計

如前所述，焊接工裝的設(shè)計相當重要。國內(nèi)有不少超聲波設(shè)備供應(yīng)商自行生產(chǎn)焊接工裝，但是他們中有相當一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測試，通過這種反復(fù)調(diào)整的方法達到工裝與設(shè)備頻率協(xié)調(diào)的目的。本文通過有限元方法，在設(shè)計工裝時就能把頻率確定，制造出來的工裝測試結(jié)果與設(shè)計頻率誤差不過1％。同時，本文引入DFSS（Design For Six Sigma）的理念，對工裝進行優(yōu)化和健壯設(shè)計。6-Sigma設(shè)計的理念是在設(shè)計過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設(shè)計；并且預(yù)先考慮生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的偏差，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合理的水平內(nèi)。設(shè)計流程如圖2所示，從制定設(shè)計指標開始，首先根據(jù)已有經(jīng)驗初步設(shè)計工裝的結(jié)構(gòu)和外型尺寸，在ANSYS中建立參數(shù)化模型，然后通過仿真實驗設(shè)計（DOE）方法確定模型中的重要參數(shù)，根據(jù)健壯要求，確定數(shù)值，接著對其他參數(shù)用子問題法進行尋優(yōu)。考慮到工裝在制造和使用過程中材料、環(huán)境參數(shù)的影響，還對其進行了公差設(shè)計，滿足制造成本的要求。最后是制造、測試檢驗理論設(shè)計和實際的誤差，滿足設(shè)計指標即交付使用。以下逐步進行詳細介紹。

圖2：設(shè)計流程圖

3.1 幾何外型設(shè)計（建立參數(shù)化模型）

設(shè)計焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結(jié)構(gòu)，并建立參數(shù)化模型，以便進行后繼分析。圖3a）是最為常見焊接工裝的設(shè)計，在一個近似長方體的材料上沿振動方向豁開若干個U型槽。整體尺寸是X、Y、Z三個方向的長度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工件的大小相當。Z的長度等于超聲波的半波長，因為在經(jīng)典的振動理論里面，長條型物體的一階軸向頻率是由它的長度確定的，半波長度正好與聲波頻率匹配，這種設(shè)計一直被延用，有利與聲波的傳播。U型槽的目的是減少工裝橫向振動的損耗，位置、大小和個數(shù)根據(jù)工裝整體尺寸確定。可見在這種設(shè)計中，可以自由調(diào)控的參數(shù)較少，因此我們在此基礎(chǔ)上做了改進。圖3b）是新設(shè)計的工裝，比傳統(tǒng)設(shè)計多了一個尺寸參數(shù)：外弧半徑R。另外，在工裝的工作面雕刻出凹槽與塑料工件表面配合，有利于傳遞振動能量和保護工件表明不受到傷害。對此模型在ANSYS中進行常規(guī)的參數(shù)化建模，然后進行下一步實驗設(shè)計。

圖3：工裝外型設(shè)計

3.2 DOE實驗設(shè)計（確定重要參數(shù)）

DFSS是為解決實際工程問題而產(chǎn)生的，它不追求完美，而是有效、健壯設(shè)計。它體現(xiàn)了6-Sigma的思想，抓住主要矛盾，舍棄“99.97％”以外的，同時要求設(shè)計對環(huán)境變異有相當?shù)牡挚鼓芰ΑＲ虼耍谧瞿繕藚?shù)優(yōu)化前應(yīng)先進行篩選，挑出對結(jié)構(gòu)有重要影響的尺寸，根據(jù)健壯性原則確定它們的數(shù)值。

3.2.1 DOE參數(shù)設(shè)置和進行DOE

設(shè)計參數(shù)是工裝外型和U型槽的尺寸位置等，共8個。目標參數(shù)是一階軸向振動頻率，因為它對焊接影響最大，而最大集中應(yīng)力和工作面振幅差異作為狀態(tài)變量來限制。根據(jù)已有經(jīng)驗，假設(shè)參數(shù)對結(jié)果的影響是線性的，因此每個因素只設(shè)置高、低兩個水平。參數(shù)和對應(yīng)的名字列表如下：

表1：優(yōu)化設(shè)計參數(shù)對照表

使用前面建立的參數(shù)化模型在ANSYS中進行DOE。由于軟件限制，全因子DOE最多只能使用7個參數(shù)，而模型有8個參數(shù)，而且ANSYS本身對DOE結(jié)果的分析沒有專業(yè)的6-sigma軟件那么全面，不能處理交互作用。因此，我們利用APDL編寫DOE循環(huán)計算并提取計算結(jié)果的程序，然后將這些數(shù)據(jù)放到Minitab里面進行分析。

3.2.2 DOE結(jié)果分析

Minitab的DOE分析如圖4所示，包含主影響因素分析和交互作用分析。主影響因素分析用于判斷哪個設(shè)計變量的變化對目標變量影響較大，由此指出哪些是重要的設(shè)計變量。然后分析因素間的交互影響，目的是確定因素的水平，使得設(shè)計變量之間的耦合程度減少。比較某個設(shè)計因素分別在高、低水平時，其他因素變化程度的大小。根據(jù)獨立公理，最優(yōu)設(shè)計是互不耦合的，因此選擇變化程度較小的那個水平。

圖4：DOE結(jié)果分析

本文對焊接工裝的分析結(jié)果是：重要設(shè)計參數(shù)是工裝外弧半徑和開槽寬度。兩個參數(shù)的水平都是“高”較好，即半徑取DOE中偏大的值，槽寬也取偏大的值。確定了重要參數(shù)和他們的數(shù)值，然后用其他幾個參數(shù)在ANSYS中做設(shè)計優(yōu)化，以調(diào)整工裝頻率匹配焊接機的工作頻率。優(yōu)化過程如下所述。

3.3 目標參數(shù)優(yōu)化（工裝頻率）

設(shè)計優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置和DOE的類似，不同的是其中2個重要參數(shù)的數(shù)值已經(jīng)確定，另外有3個參數(shù)和材料屬性相關(guān)，視為噪音，不能作優(yōu)化。剩下3個可以調(diào)整的參數(shù)是開槽的軸向位置，長度和工裝寬度。優(yōu)化采用ANSYS中的子問題逼近法，這是一種在工程問題中廣泛應(yīng)用的方法，具體過程省略。

值得注意的是用頻率作為目標變量，在操作上需要使用一點技巧。因為設(shè)計參數(shù)較多，變化范圍寬，工裝的振動模態(tài)在感興趣的頻率范圍內(nèi)有很多個。如果直接使用模態(tài)分析的結(jié)果，從中找出一階軸向模態(tài)比較困難，因為參數(shù)變化時可能發(fā)生模態(tài)順序交錯的現(xiàn)象，即原先模態(tài)對應(yīng)的固有頻率序數(shù)會發(fā)生變化。因此本文采用先進行模態(tài)分析，然后用模態(tài)疊加法得出頻響曲線，通過找頻響曲線的峰值可以確保對應(yīng)的是需要的模態(tài)頻率。這在自動優(yōu)化過程中非常重要，免除了人工判斷模態(tài)的步驟。

優(yōu)化完成后可以使工裝的設(shè)計工作頻率十分接近目標頻率，誤差小于優(yōu)化時指定的公差值。至此，工裝設(shè)計基本確定，接下來是為生產(chǎn)設(shè)計制造公差。

3.4 公差設(shè)計

一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定全部設(shè)計參數(shù)后即告完成，但是對于工程問題，尤其是考慮到批量制造的成本時，公差設(shè)計必不可少。低精度的成本也降低，但是能否滿足設(shè)計指標需要利用統(tǒng)計特性進行定量計算。ANSYS中的PDS概率設(shè)計系統(tǒng)能夠較好地完成設(shè)計參數(shù)公差和目標參數(shù)公差關(guān)系的分析，并能產(chǎn)生完整的相關(guān)報告文件。

3.4.1 PDS參數(shù)設(shè)置和進行計算

按照DFSS的思路，應(yīng)該對重要設(shè)計參數(shù)進行公差擴展分析，其他一般公差按照經(jīng)驗確定即可。本文的情況較為特殊，因為按照機械加工的能力，幾何設(shè)計參數(shù)的制造公差非常小，對最終工裝頻率幾乎沒有影響；而原材料的參數(shù)卻因供應(yīng)商而有較大的差異，同時原材料的價格占工裝加工費用的80％以上。所以需要對材料屬性設(shè)定一個合理的公差范圍。這里相關(guān)的材料屬性是密度，彈性模量和聲波傳播速度。

公差分析采用ANSYS中的隨機Monte Carlo 仿真，抽樣選擇Latin Hypercube方法，因為它能夠使抽樣點的分布比較均勻合理，通過較少的點數(shù)獲得較好的相關(guān)，本文設(shè)為30個點。假設(shè)3個材料參數(shù)的公差都按Gauss分布，初步給定一個上下限，然后在ANSYS中進行計算。

3.4.2 PDS結(jié)果分析

通過PDS的計算，給出了30個抽樣點對應(yīng)的目標變量值，如圖5所示。目標變量的分布是未知的，再次使用Minitab軟件進行參數(shù)擬合，確認頻率基本還是按照正態(tài)分布的，這樣可以保證公差分析在統(tǒng)計理論上的正確性。

圖5：Monte Carlo仿真頻率分布柱狀圖

PDS計算給出了一條從設(shè)計變量到目標變量公差擴張的擬合公式：其中，y是目標變量，x是設(shè)計變量，c是相關(guān)系數(shù)，i是變量序號。

據(jù)此，可以將目標公差分配到各個設(shè)計變量中，完成公差設(shè)計的任務(wù)。

3.5 實驗驗證

前面進行的是整個焊接工裝的設(shè)計過程，完成后按照設(shè)計允許的材料公差采購原材料，然后交付制造。制造完成后進行頻率、模態(tài)測試，采用的測試方法是最簡單有效捶擊測試法。因為最關(guān)心的指標一階軸向模態(tài)頻率，所以將加速度傳感器貼在工作面上，沿軸向敲擊另一端，通過譜分析可以得到工裝的實際頻率。設(shè)計的仿真結(jié)果是14925 Hz，測試結(jié)果是14954 Hz，頻率分辨率是16 Hz，最大誤差不超過1％。由此可見有限元仿真在進行模態(tài)計算時的準確性非常高。

工裝在通過實驗測試后投入生產(chǎn)裝配到超聲波焊接機上使用后反應(yīng)情況良好，使用半年多時間以來工作穩(wěn)定，焊接合格率高，已經(jīng)超過了一般設(shè)備商承諾的3個月使用壽命。由此說明設(shè)計是成功的，而且制造過程沒有反復(fù)修改、調(diào)整，節(jié)省了時間和人力物力。

4 結(jié)論

本文通過從超聲波塑料焊接原理入手，深入掌握焊接的技術(shù)重點，提出新型工裝的設(shè)計概念。然后利用有限元強大的仿真功能對設(shè)計進行具體分析，并且引入DFSS的6-Sigma設(shè)計思想，通過ANSYS的DOE實驗設(shè)計和PDS公差分析控制重要設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)健壯性設(shè)計。最后工裝一次制造成功，通過實驗頻率測試和實際生產(chǎn)的驗證，證明了該設(shè)計是合理的。同時也證明了這一套設(shè)計方法是可行有效的。