塑料超聲波焊接技術理論分析

塑料超聲波焊接技術

　　摘要：超聲波焊接是最常用的塑料焊接技術，在塑料加工業(yè)久享盛譽。由于焊接速度快、低能耗、焊縫質量一致性與再現(xiàn)性好，該技術是包裝、汽車、醫(yī)療、電氣、電子、家用器具行業(yè)大批量生產應用的首選焊接技術。本文論及超聲波焊接原理及過程、焊接設備、工藝參數(shù)、特點、應用、派生方法、最新進展，著重對焊接性、接頭設計進行了概括和總結。

　　 前言塑料超聲波焊接技術由美國瓊斯等人于1956年首次提出。60年代美國、瑞士、德國、日本、英國等國便開始研究這種焊接技術并開始投入實際應用。近幾十年以來，隨著塑料及復合材料大量應用于工業(yè)生產和日常生活中以及電子工業(yè)的飛速發(fā)展和新型大功率換能器的出現(xiàn)，塑料超聲波焊接以其焊接速度快、焊縫質量好、易于自動化、適合于大批生產等優(yōu)勢得到了極為廣泛的應用并成為最常用的塑料焊接方法。

    1．超聲波焊接機原理及過程超聲波焊接的基本原理是利用超聲頻機械振動( 頻率為10到70KH z，振幅為1到250m m ) 于塑料零件，使其在壓力下產生局部加熱( 發(fā)熱是由于表面和分子間摩擦綜合作用的結果) 和熔化而形成焊縫。

　　 如圖1所示，超聲波焊接過程分為以下四個階段：

　　 第一階段焊頭與零件接觸，施壓并開始振動。摩擦發(fā)熱量熔化導能筋，熔液流入結合面。隨著兩零件之間距離的減少，焊接位移量( 兩零件之間由于熔體流動產生的距離減小值) 開始增加。起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的導能筋鋪展并接觸下零件表面時放慢增速。在固態(tài)摩擦階段，發(fā)熱是由于兩表面之間的摩擦能和零件中的內摩擦產生的。摩擦發(fā)熱使聚合物材料升溫至其熔點。發(fā)熱量取決于作用頻率、振幅和壓力；

　　第二階段熔化速度增加導致焊接位移量增大及兩零件表面相接觸。此階段形成薄的熔化層，由于持續(xù)發(fā)熱，熔化層厚度增加。此階段的熱量是由粘性耗散( vi scous di ssi pati on)產生；

　　第三階段焊縫中溶液層厚度保持不變且伴隨著恒溫分布，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熔化；第四階段在經(jīng)過設定的時間或達到特定的能量、功率級或距離之后，電源切斷，超聲振動停止，開始

　　 進人第4階段。壓力得以保持，使部分額外熔液擠出結合面。在焊縫冷卻和凝固時達到最大位移量，并發(fā)生分子間擴散。圖1超，± i 波焊接過程4階段

     2．超聲波焊接設備如圖2所示，超聲波焊接設備由壓力機、發(fā)生器、換能器、變幅桿、焊頭和零件支撐工裝等組成。

　　　超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器的作用是將工頻( 50或60H z)電壓轉變?yōu)槌曨l電壓。微處理器經(jīng)由用戶界面控制焊接循環(huán)和反饋關鍵焊接信息給用戶。用戶界面也允許操作人員輸入所需的焊接參數(shù)。

　　 焊接套件( w el di ng stack) ／聲能系統(tǒng)焊接套件提供超聲機械振動，一般由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，在變幅桿中部固定在焊接壓力機上。焊接套件是有點類似音叉的諧振器。焊接套件的諧振頻率必須緊密匹配來自發(fā)生器的電信號的頻率( 相差少于30H z) 。

　　 換能器通過逆壓電效應將來自于發(fā)生器的超聲頻電壓轉化為同頻率的超聲機械振動。它由夾于兩金屬( 通常是鈦) 塊之間的若干壓電陶瓷片組成。片與片之間有一薄金屬板形成電極。在正弦電信號經(jīng)由電極提供給換能器時，壓電片膨脹和收縮，產生15—201xm 的軸向峰到峰運動。換能器是精密設備，應小心處理。

　　 變幅桿有兩個作用。其主要作用是放大換能器端部產生的機械振動并將振動傳給焊頭。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機上的位置。在換能器施加超聲能量時，變幅桿也膨脹和收縮。與焊接套件中的其它零件一樣，變幅桿是調諧裝置，因而它也必須在特定頻率共振以便將超聲能量從換能器傳至焊頭。為了有效地發(fā)揮作用，變幅桿必須是超聲波在其制造材質中的半波長或半波長的整數(shù)倍。一般為半波長。

　　  焊頭是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。與變幅桿一樣，焊頭也是調諧裝置，在大部分應用中也提供機械放大，焊頭的長度必須是超聲波在其制造材質中的半波長或半波長的整數(shù)倍。這保證焊頭端部有足夠的振幅實現(xiàn)焊接。振幅一般為30—120um 。待焊零件和接頭設計決定焊頭尺寸和式樣。焊頭的形狀至關重要，因為焊頭的軸向膨脹和收縮產生的應力會在高振幅情況下造成開裂。在某些應用中，焊頭加工有多個軸向狹槽。這是為了確保最大振幅位于縱向。焊頭端部將超聲能量傳給待焊零件。端部應專門設計以匹配零件來確保焊頭和零件之間實現(xiàn)最大能量傳遞。通常焊頭端部做成匹配零件輪廓的型材。約75％的焊頭是由鈦制成，約15％由鋁制成，其它焊頭由H RC54—56的淬硬鋼制成。鈦質輕、硬度適當、韌性好、聲學性能優(yōu)是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質合金用于高磨損場合。但是其價格昂貴，難以機加工。鋁質輕、容易加工、聲學性能好、成本低，用于制作大零件焊接時的大焊頭和原型焊頭或需復雜加工的焊頭。鋁焊頭由于表面硬度低、容易磨損、疲勞性能差，不適合于長期生產應用，常用于小批量應用。為防止產生壓痕和減少磨損，鋁必須鍍鎳或鉻。在需耐沖擊或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金屬嵌件時，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強度低，只用于低振幅場合。復雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復合式焊頭( 子母焊頭) ，這時基底焊頭采用鋁質，鈦或鋼次級焊頭與基底焊頭相連并引導能量。

　　 壓力機用于固定焊接套件及旌加焊接所需的作用力。它由固定工裝夾具的底座和施加作用力的氣缸組成。壓力機上帶有壓力表和調節(jié)閥以調節(jié)焊接作用力。應該注意的是某一超聲波焊接設備上設定的特定表壓與另一設定同一表壓的焊機提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力應該用測壓儀校準以便對不同焊機之間的焊接作用力進行直接比較。壓力機上也有流量控制閥可以對焊頭接近待焊零件的速度進行調節(jié)。有些焊接設備采用電磁力加壓系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的氣缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件時是有益的?！?

   支撐工裝壓力機底座固定焊接過程中支撐零件的工裝。支撐工裝是為防止下部零件在超聲波作用時發(fā)生移動專門設計的，它通常加工成緊密匹配零件表面輪廓的形狀。夾具從簡單到復雜的都有，由零件設計來決定。下部零件必須受到牢固放置和支撐。夾具或底座應可調確保零件垂直于焊頭。夾具可由若干材料加工而成。不銹鋼是最佳選擇，因為它容易機加工和拋光。特型夾具現(xiàn)在可直接經(jīng)由CAD 數(shù)據(jù)加工。較大的、復雜的、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質聚氨酯裝夾。

    3．超聲波焊工藝參數(shù)超聲波焊接主要工藝參數(shù)有：振幅、焊接時間、保壓時間、焊接壓力、頻率等。

　　  最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設備而定。焊接參數(shù)的調節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點和焊接接頭之間的距離。

　　 焊接能力受到塑料傳遞超聲振動能力( 且零件不受到損傷) 的限制。

　　 超聲波常用的頻率有20、30、40kH z，15kH z常用于半結晶性塑料。20kH z是最常用的超聲波頻率，因為這一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達到，但它可能產生大量難以控制的機械振動，產生較少振動的較高頻率( 40kH z) 是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強聚合物。

　　 高頻率焊接設備的優(yōu)點包括：噪聲小、零部件尺寸小、增強零件保護( 由于減少循環(huán)應力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱) 、提高機械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進行遠場焊接。較高頻率超聲波焊機通常用于焊接小型、精密零件( 如電氣開關) 及材料降解需較少的零件。

　　   對于15kH z的焊機能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20kH z焊機焊接時的材料降解少。用20kH z勉強能焊的零件( 尤其是那些由高性能工程樹脂加工成的) ，用15kH z能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長諧振長度，在所有維度可以做得更大。采用15kH z的另一重要優(yōu)點是同使用較高頻率相比，大大降低了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料及更大的遠場距離。振幅成功焊接取決于焊頭端部的適當振幅。對于所有變幅桿／焊頭組合，振幅是固定的。根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得適當程度的熔化。一般說來，半結晶性塑料與非結晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅?，F(xiàn)代超聲波焊機上的過程控制允許分階。高振幅用于開始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會改善剪切接頭設計零件的焊縫質量。對于對接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質量提高且焊接時間減少。在用導能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率( Q avg) 取決于材料的復合損耗模量( E” ) 、頻率( ( 1) ) 和作用應變( e0) ：Q 。。g=‘ 1)￡02E’ ’ ／2熱塑性塑料的復合損耗模量與溫度密切相關。在達到熔點或玻璃化轉變溫度時，損耗模量增加，更多的能量轉化為熱能。在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升( 達1000℃／s) 。作用應變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過改變振幅來控制焊接界面的加熱。

　　 振幅是一個控制熱塑性塑料擠壓流動速率的重要參數(shù)。高振幅時，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動速度較快，導致分子取向增加，產生大量飛邊及焊縫強度較低。高振幅對于開始熔化是必需的。太低的振幅產生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固。當增加振幅時，更大量的振動能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應力。在整個焊接循環(huán)過程中振幅恒定時，通常采用的是對待焊零件不至于產生過量損害的最高振幅。對于結晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以機械調節(jié)( 通過更換變幅桿或焊頭)或者電氣調節(jié)( 通過改變提供給換能器的電壓) 。在實踐中，較大振幅調節(jié)采用機械方式而微調用的是電氣方式。高熔點材料、遠場焊縫及半結晶性塑料通常需要比非結晶性塑料和近場焊縫更大的振幅。非結晶性塑料典型的總振幅范圍是30—100肛m ，而結晶性塑料為60—125斗m 。振幅分階(am pl i tude profi l i ng) 能夠實現(xiàn)良好的熔體流動和一致的高焊縫強度。對于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于開始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向。

　　  焊接時間焊接時間是施加振動的時間。每一用途合適的焊接時間由試驗確定。增加焊接時間會提高焊縫強度直至達到最佳時間為止。進一步增加焊接時間會導致焊縫強度降低或者只是稍稍增加強度，而與此同時會增加焊縫飛邊和提高產生零件壓痕的可能性。避免過焊是很重要的，因為會產生需修整的過量飛邊，這可能降低焊縫質量，在需密封接頭的零件中產生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長焊接時間時在遠離接頭區(qū)域的零件部分還可能出現(xiàn)熔化和斷裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

　　  保壓時間是指焊后零件在無振動壓力下結合和凝固的標稱時間。在大部分情況下，它并不是一個關鍵參數(shù)，0．3到0．5秒一般足夠了，除非內載荷易于拆開焊接零件( 如焊前壓縮的螺旋彈簧)。

　　 壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動傳人零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對于良好焊接是必不可少的。如果壓力過低，會造成能量傳遞差或不足的熔體流動，導致不必要的長時間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會減少實現(xiàn)相同位移所需的焊接時間。如果壓力過高，會造成沿流動方向的分子取向及降低焊縫強度，可能產生零件壓痕。極端情況下如果相對于焊頭端部振幅來說壓力過高，可能會過載、使焊頭停止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。隨著振幅的增加，可接受的壓力范圍變窄。因此高振幅時最重要的是找到最佳壓力。大多數(shù)超聲波焊接是在恒壓或恒力下進行的。對于某些裝置，循環(huán)過程中力是可以改變的，即進行力分階( N reel i ng) ，在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環(huán)后期下降的焊接壓力或作用力減少了從接頭處的材料擠出量，延長分子間擴散時間，減低分子取向并提高焊縫強度。對于有較低熔體粘度類似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強度。

　　  焊接模式按時間焊接稱之為開環(huán)過程。待焊零件在焊頭下降和接觸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固定時間，通常是0．2—1秒。這個過程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假設固定的焊接時間導致固定量的能量作用于接頭，產生可控量的熔化條件下的理想情況。實際上，從一個循環(huán)到下一循環(huán)保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個因素造成的( 如兩零件之間的配合) 。因為能量隨功率和時間而變化，時間固定，施加的能量從一個零件到下一零件會發(fā)生改變。對于一致性非常重要的大批量生產，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反饋控制的閉環(huán)過程。超聲波機器軟件測量吸收的功率并調節(jié)加工時間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個過程的假設是如果每道焊縫消耗的能量相同，接頭處熔化材料的數(shù)量每次是相同的。然而實際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。結果，某些零件可能比其它零件獲得更多的能量，可能造成焊縫強度不一致。按距離焊接允許零件按特定的焊接深度連接。這種模式運作不取決于時間、吸收的能量或功率，補償模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保證了每次在接頭中熔化相同數(shù)量的塑料。為了控制質量，可以對形成焊縫所用的能量或所花的時間設定限度。