超声波焊接技术：超声波压印成形工艺

   采用硅模具的聚合物超声波压印成形的工艺流程如图所示，

首先超声波工具头下降，当接触到PMMA基片并达到触发压力时，开始施加超声波振动；振动在硅模具与PMMA接触面传播并产生热量，由于聚合物是热的不良导体，而超声波作用时间一般小于30s，因此热影响区仅限于接触面的附近。当温度达到PMMA的毛温度以上时，软化的聚合物在超声波工具头施加的压印压力作用下填充到模具结构中。当达到设定的超声波时间后，停止施加超声振动，继续保持压力直到成形面的PMMA冷却到Tg温度以下。20～30℃时，抬起工具头，将成形后的PMMA与模具脱模，完成压印成形工艺。由于软化的聚合物体积较小，因此保压阶段的时间也通常小于30S。

   超声波压印工艺参数：主要包括超声振幅、压印压力、超声时间、保压压力和保压时间等。其中，超声振幅、超声时间、压印压力是影响成形质量的关键因素。

   超声振幅是聚合物在超声波压印时首要选择的工艺参数。从聚合物温升角度来看，由于其物理性质不同，聚合物随不同超声振幅的发热率和温升率不同。每种聚合物材料都有使其达到软化成形所需的特定最小振幅。如果振幅过小，聚合物基片很难达到使之软化的温度。因此，需要根据材料的属性，合理选择压印成形所用振幅的范围。

   超声时间指超声波焊机开始发出超声波到超声波结束的时间。超声时间越长，聚合物基片上积聚的能量就越多，基片温升就越高。但是超声时间过长，会使聚合物基片表面温升过高，成形过度，使基片上远离成形区的表面产生“粘连”；超声时间过短，基片不能软化或软化区聚合物量少不能充分填充模具结构。

   压印压力是超声波发生阶段工具头对模具和聚合物基片施加的力。增加超声压印压力，使整个压印表面都有较好的接触，结合辅助支撑和增压结构，可以有效解决局部应力集中的问题；但压印压力过高，反而会抑制超声波工具具头的振动，从而抑制产热，所以压印压力一般一般比超声波焊机提供的最大压力小100~200N。

   振幅为16.2um，超声时间为20s，压印压力设定为400N时超声波焊机记录的聚合物基片坍塌量曲线图，可以看出：

   (1)在超声波施加的初始阶段，基片与模具接触界面受到超声振动摩擦产热此时聚合物处于玻态，弹性模量较大，坍塌量波动较小。

   (2)当超声波施加时间累积到17s左右时，基片位移急剧变化，微沟道成形开始。

   (3) 20s时超声波振动停止，压力从400N的成形压力阶跃到600N的保压压力，压力的跳变导致了聚合物本体发生弹性变形：此外，超声波焊机系统的间隙也着压力的增大而减小，因此坍塌量也体现出较大的跳变。

   (4)保压压力继续作用，初期基片与模具的接触界面温度仍高于Tg，发生塑性变形而使坍塌量曲线继续增长，随着保压压力最后稳定在600N，坍塌量曲线变化也逐渐趋于平稳，最后在保压压力的作用下微结构进行固化，完成基片的成形。