深入分析超聲波焊接原理

一、 超聲波的特性

從超聲波焊接的角度，超聲波具有三個(gè)非常重要的特性，這三個(gè)特性與超聲波的焊接質(zhì)量密切相關(guān)，是超聲波焊接過程中發(fā)生的諸多現(xiàn)象的根源。理解這三個(gè)特性有助于理解超聲波焊接的工藝要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師從而可以正確的設(shè)計(jì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)來滿足超聲波焊接的工藝要求，提高超聲波的焊接質(zhì)量。

超聲波的三個(gè)特性、產(chǎn)生的焊接現(xiàn)象、及其對(duì)塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如表1所示:

1) 能量大；超聲波能夠產(chǎn)生的比聲波大得多的能量，這是超聲波能夠?qū)λ苣z件件進(jìn)行焊接的基礎(chǔ)，同時(shí)這也是超聲波焊接強(qiáng)度較高的根本原因；正由于其產(chǎn)生巨大能量的能力，超聲波甚至能夠進(jìn)行金屬零件的焊接；而在另一個(gè)方面，恰恰由于能量大，超聲波有可能對(duì)焊接界面造成燙傷；同時(shí)可能對(duì)塑膠件其它部位或者塑膠件上已經(jīng)裝配的其它零部件造成損壞。

2) 方向性好，幾乎是直線傳播；由于超聲波的波長很短，衍射效應(yīng)不顯著，所以可以近似地認(rèn)為超聲波是沿直線傳播，即傳播的方向性好，容易得到定向而集中的超聲波束。因此，這要求超聲波焊頭與焊接零件保持足夠大的接觸面積，保證超聲波能能夠傳導(dǎo)到焊接界面。同時(shí)，如果在傳播方向上存在孔洞等，超聲波就難繞過孔洞傳導(dǎo)能量，這也是超聲波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的地方。

3) 衰減性；盡管超聲波的穿透能力強(qiáng)，但超聲波在物體里傳播始終都存在著衰減，傳播的距離越遠(yuǎn)，能量衰減越厲害。另外，在不同的塑料中，超聲波能量的衰減程度不一致。例如，在無定形塑料中，如ABS，其能量衰減程度較小，兩個(gè)ABS塑膠件即使是遠(yuǎn)程焊接也能保證焊接質(zhì)量；在半結(jié)晶塑料中，如PA66，超聲波能量衰減程度大，超聲波傳播距離較短，很難保證遠(yuǎn)程焊接的質(zhì)量。

超聲波的三個(gè)特性、焊接現(xiàn)象、塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

二、超聲波焊接原理

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，塑料以其 重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于加工工藝等方面的原因，很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品不能一次加工成型，需要把多個(gè)零部件無縫連接到一起，大體有兩種方法：粘接和焊接。一般來將，粘接工藝生產(chǎn)效率低并且膠粘劑都有一定的毒性，容易引起環(huán)境污染和危害生產(chǎn)人員健康的不良后果。所以，超聲波塑焊機(jī)的塑料焊接工藝得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

超聲波焊接的詳細(xì)步驟如圖所示：

（超聲波焊接的詳細(xì)步驟）

第一步：兩個(gè)焊接塑膠件先后被放置在焊接夾具中。

第二步：焊頭下移，接觸上部塑膠件。

第三步：壓力通過焊頭，把兩個(gè)塑膠件件壓緊。

第四步：焊頭以15千赫茲或20千赫茲每秒的頻率垂直振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)能量傳導(dǎo)到兩個(gè)塑膠件的初始接觸區(qū)域，劇烈摩擦產(chǎn)生熱能，當(dāng)焊接界面的溫度達(dá)到塑料的熔點(diǎn)后，塑料熔化并流動(dòng)，振動(dòng)停止，這一段時(shí)間稱為熔化時(shí)間。

第五步：繼續(xù)保持壓力一段時(shí)間直到熔化的塑料冷卻并固化，這段時(shí)間稱為保壓時(shí)間。

第六步：一旦熔化的塑料固化，去除壓力，退回焊頭，兩個(gè)塑膠件熔合在一起，超聲波焊接過程完成。

三、焊接工藝分析

    在實(shí)際生產(chǎn)過程中，并不是所有的塑料材料都可以進(jìn)行焊接，能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料， 只有分子結(jié)構(gòu)相同或相近的熱塑性塑料才能進(jìn)行焊接，在焊接面上是分子間的化學(xué)結(jié)合，所以母體材料越相近，焊接效果越好。下圖是一些常見塑料焊接相容性的比較。

　　我們還需要考慮 到 影響焊接質(zhì)量的因素才能得到較好的焊接效果。在進(jìn)行焊接時(shí)，壓力、時(shí)間、吸熱量（熔融量）是確保焊接質(zhì)量的三要素。

1. 超聲波焊接壓力

　　對(duì)焊接表面施加適當(dāng)?shù)膲毫?，焊接材料將由彈性向塑性過渡，還可以促進(jìn)了分子相互擴(kuò)散并擠去焊縫中的殘余空氣，從而增加焊接面密封性能。

2. 超聲波焊接時(shí)間

　　要有適當(dāng)?shù)臒崛蹠r(shí)間和足夠的冷卻時(shí)間。當(dāng)熱功率一定時(shí)，時(shí)間不夠會(huì)出現(xiàn)虛焊，時(shí)間過長會(huì)造成焊件變形，熔渣溢出，有時(shí)還會(huì)在非焊接部位出現(xiàn)熱斑（變色）。必須保證焊接面吸收足夠的熱量達(dá)到充分熔融的狀態(tài)，才能保證分子間充分?jǐn)U散融合，同時(shí)必須保證足夠的冷卻時(shí)間使焊縫達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

3. 熔融量

　　熱熔時(shí)間和熱功率協(xié)調(diào)調(diào)整才會(huì)的到最恰當(dāng)?shù)娜廴诹?，保證足夠的分子間融合，消除虛焊的現(xiàn)象。除了焊接設(shè)備和操作人員技能水平外，來之于塑料內(nèi)部或外部的各種因素，對(duì)焊接質(zhì)量有一定的影，應(yīng)當(dāng)引起重視。

4.塑料的吸濕性

　　如果焊接潮濕的塑料制品，內(nèi)含的水分會(huì)在受熱后化為蒸汽跑出而在焊面上出現(xiàn)氣泡，使焊接面密封性能減弱。吸濕較為嚴(yán)重的材料有 PA 、 ABS 、 PMMA 等。用這些材料做的制品，焊前必須進(jìn)行干燥處理。

5.塑料中的填充物

　　如玻璃纖維、滑石粉、云母等，它們改變了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接質(zhì)量有很大的關(guān)系。填充物含量低于 20% 的的塑料可以正常進(jìn)行焊接，不需要進(jìn)行特殊的處理。填充物含量超過 30% 時(shí)，由于表面塑料比例不足，分子間融合的不夠，會(huì)降低密封性。

6.焊接面的清潔

　　焊接表面必須清潔沒有雜質(zhì)，才能保證足夠的焊接強(qiáng)度和氣密性。

      隨著工業(yè)生產(chǎn)的需要，超聲波焊接機(jī)技術(shù)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，也會(huì)有技術(shù)更為先進(jìn)、使用更為方便的焊接技術(shù)出現(xiàn)。