塑料超聲波焊接技術（下）

張勝玉

（漢瑞普澤粉粒體技術（上海）有限公司，上海 201505）

塑料超聲波焊接技術（下）

張勝玉

（漢瑞普澤粉粒體技術（上海）有限公司，上海 201505）

超聲波焊接是最常用的塑料焊接技術，在塑料加工業久享盛譽。由于焊接速度快、低能耗、焊縫質量一致性與再現性好，該技術是包裝、汽車、醫療、電氣、電子、家用器具行業大批量生產應用的首選焊接技術。在論及超聲波焊接原理及過程、焊接設備、工藝參數、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。

超聲波焊接；焊接性；焊頭；導能筋；接頭設計；近場焊；遠場焊；振幅分階；力分階

（接上期）

5.1.2帶導能筋的階式接頭

圖6是帶導能筋的階式接頭。該接頭容易模制，用最小的工作量可獲得強而整齊的接頭。由于塑料流入垂直間隙，階式接頭通常比對接接頭強度高。階式接頭剪切強度及拉伸強度都很好，通常用于需要良好表面外觀的場合。階式接頭用于對齊，適用于外露面過量熔體和飛邊不可接受的場合。階式接頭推薦用于壁厚至少2 mm時。在焊接結晶性塑料時，應使用60°夾角的導能筋而不是90°的。圖7是基本階式接頭設計的各種變體形式。

5.1.3帶導能筋的榫槽接頭

圖8是帶導能筋的榫槽接頭。該接頭主要用于掃描焊接、零件自定位和防止內外部飛邊。該接頭結合強度是迄今為止討論的三種接頭中最高的。該接頭設計在提供兩零件之間對齊方式的同時，有助于容納內外部飛邊。材料封閉在槽中有助于獲得密封接頭。然而，需要保持榫舌兩側的間隙增加了模塑的難度。

圖6　帶導能筋的階式接頭

圖7　階式接頭的變體

圖8　導能筋的榫槽接頭

5.1.4紋理表面

如圖9所示，在配合件上模制紋理表面通過增強摩擦性和熔化控制有助于提高整體焊接質量和強度。通常紋理深0.076~0.152 mm，依導能筋的高度相應變化。紋理表面通過阻止導能筋的左右移動增強表面摩擦，紋理形成的峰谷也成為阻止熔體流出接頭區域的障礙，飛邊或微粒減少，有更大的表面積用于連接。焊縫強度可能達到無紋理表面的三倍，所需的焊接總能量減少，對振幅要求也更低。

5.1.5十字交叉

圖9　表面紋理

圖10　垂直導能筋

如圖10所示，該設計在兩配合面引入彼此垂直的導能筋，在允許可能較大量材料參與焊接的同時提供最小界面接觸。每個導能筋的尺寸大致為普通單個導能筋的60%，夾角為60°，有別于普通導能筋的90°夾角。如果需要氣密或液密封接導能筋應像鋸齒一樣連續（如圖11）。鋸齒導能筋必須位于與焊頭接觸的零件上。該設計產生非常劇烈的材料流動，因而零件設計必須解決飛邊容留問題（如采用榫槽和階梯設計）。該設計為了實現密封在每個鋸齒導能筋之間無間隙很重要，對于圓形零件導能筋應設計成如圖12所示，高度和夾角依要求的內徑尺寸而定，在外徑上的導能筋夾角增加以彌合導能筋基底之間的間隙。

5.1.6垂直于內壁的導能筋

如圖13所示，用于增加抗剝離力及減少飛邊。該設計應用于只需結構封接的場合。

5.1.7間斷導能筋

如圖14所示，用于減少總面積和所需的能量和功率級或使零件壓痕降至最少。僅用于需結構（非氣密）封接的場合。

圖11　鋸齒導能筋

圖12　圓形零件導能筋

圖13　垂直于內壁的導能筋

圖14　間斷導能筋

5.1.8鏨式導能筋

如圖15所示，一般用于標稱厚度小于等于1.524 mm時。如果用普通的導能筋，會太小（高度小于0.254 mm），造成焊縫強度較低。刃口可以高0.381~0.508 mm，角度為45°。鏨式導能筋的另一優點是它能置于臺階的內側邊并確保不會滑離狹窄的焊接臺肩。此外，它還可用于引導熔化材料流動遠離開口處。由于焊縫強度局限于焊縫寬度，在用該設計時，總是包含紋理表面。

5.1.9專用接頭

圖15　鏨式導能筋

為了在不易焊接的樹脂或不規則形狀中實現氣密封接，也許有必要使用壓縮封接或熔體流動的迂回路徑。圖16中所示是引入O形圈的接頭設計。O形圈只能在焊縫端部，最大壓縮量為10%~15%。銷和插座（螺栓焊）使用O形圈設計也可獲得良好結果。

圖16　引入O形圈的接頭設計

5.2剪切接頭

導能筋接頭設計在某些情況下并不能在結晶性塑料如尼龍、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯、熱塑性聚酯中產生預期的結果。這是由于半結晶性樹脂在較窄的溫度范圍內很快地從固態轉變為液態，反過來一樣。來自于導能筋的熔化材料可能在與鄰近接觸面熔合之前再凝固。半結晶性樹脂焊縫強度可能局限于導能筋的底寬。在幾何形狀允許的情況下，這些樹脂推薦采用如圖17所示的剪切接頭。結晶性塑料采用剪切接頭時由于產生熔化需較大的熔化面積，較高能量必不可少。這需要較長的焊接時間或者較大功率和較大振幅。圖17中的剪切接頭通常用于包含尖角或矩形設計零件的高強度密封，尤其用于結晶性塑料。初始接觸限于狹小區域，通常是任一零件中的一個凹口或臺階。接觸面首先熔化，在零件套進時，沿著垂直壁繼續熔化。兩熔化表面之間的涂抹作用消除漏隙和孔穴，使之成為強密封的最佳接頭。

圖17　剪切接頭

剪切接頭的幾個重要方面應加以考慮：①上部零件應盡可能薄；②外壁應受到夾緊裝置的良好支撐；③設計應考慮到動配合；④應包含引入端。

表3給出了相對于最大零件尺寸的過盈量和零件公差的一般性指南。

表3　最大零件尺寸的過盈量和尺寸公差

就剪切接頭來說，焊接的實現首先是通過熔化小的初始接觸面積，然后伴隨零件套進沿著垂直壁以可控過盈持續熔化。剪切接頭提供零件對齊和均勻的接觸面積。在界面熔化區域不允許與周圍空氣接觸時，可以實現強的結構或氣密封接。由于這個原因，剪切接頭尤其適用于半結晶性樹脂。焊接接頭的強度隨接頭熔降的垂直高度（焊接深度）而變化。焊接深度可以調節以滿足使用要求，一般為0.75倍的壁厚。為了獲得良好的剪切接頭，必須滿足下述條件：

（1）剪切接頭需剛性側壁支撐以防止焊接過程中產生彎曲。接頭處底面側壁必須受到緊密符合零件外部形狀的夾緊裝置的支撐。

（2）下部零件應有足夠的結構完整性以承受內部彎曲。同理，下零件應至少有2 mm的壁厚以防止彎曲。

（3）上下零件之間的過盈表面應平整和彼此相互垂直。

不推薦采用剪切接頭的情況如下：

零件最大尺寸達到76.2 mm。有尖角或不規則形狀的零件。這是由于難以保持獲得一致結果必需的模制公差。在這些情況下，建議用導能筋接頭。

對于間隔墻接頭（midwall joint），優先采用如圖18所示的榫槽接頭變體形式。也用于大型零件。推薦僅單邊過盈。

圖18　榫槽接頭的變體形式

在焊接僅需結構焊縫（不要求強度或氣密封接）的零件時，使用如圖19所示帶間斷導能筋的剪切接頭。該設計減少了總面積，降低焊接零件所需的能量和功率。對零件造成壓痕的可能性也降至最小。

由于焊接大量的樹脂，剪切接頭所需的焊接時間為其它接頭設計的3~4倍，焊后表面可見到一定數量的飛邊。如果出于美學或功能方面的原因，飛邊不可接受，應引入類似圖20中的焊瘤阱（溢料槽）。圖21是剪切接頭的變體形式。圖22所示的改進接頭應考慮用于大型零件或上部件深而軟的零件。

圖19　帶間斷導能筋的剪切接頭

圖20　焊瘤阱

圖21　剪切接頭的變體形式

圖22　改進型接頭

5.3斜接接頭

圖23　斜接接頭

圖23中的斜接接頭通常用于包含圓形或橢圓形設計零件的高強度密封，尤其用于結晶性塑料。斜接接頭要求兩零件的角度均在30°~60°之間，相差值在1.5°以內。如果壁厚為0.63 mm或更小，角度應為60°。如果壁厚大于等于1.52 mm角度應為30°。壁厚在0.63~1.52 mm之間，推薦用中間角度。斜面外刃處壁厚至少為0.76 mm以防止焊接過程中裂口或熔透側壁。由于難以保持零件同心度和尺寸公差，斜接接頭并不常用。但在有限壁厚使應用剪切（或改進型）接頭行不通時，高度推薦采用斜接接頭。

改進型斜接接頭如圖24。圖25所示斜接接頭中包含焊瘤阱以容納零件焊接時產生的多余熔化材料。阱的長度應至少等于待焊零件的截面厚度。

5.4接頭設計其它考慮事項

5.4.1尖角

尖角會造成應力集中。在具應力集中的模制件承受超聲機械振動時，在高應力區可能出現破壞、斷裂、熔化。這種情況可以在角落、邊緣和交叉點具較大半徑（0.508 mm）來改善（如圖26所示）。最低限度，所有角落或邊緣應是斷開的。

圖24　改進型斜接接頭

圖25　包含焊瘤阱的斜接接頭

圖26　避免尖角

5.4.2孔或空洞

如圖27所示，與焊頭接觸的零件中的孔或開口會造成超聲波能量傳遞的中斷。依材料種類（尤其是半結晶性樹脂）和孔的大小而定，在開口下方可能會出現虛焊或漏焊。如果零件中存在孔或轉彎處，樹脂會衰減能量傳遞使振動難以從焊頭觸點傳遞到待焊零件界面。在零件設計時必須注意防止出現這些問題區域。由于模制工具中的不當排氣，塑料中的氣泡也會衰減振動傳遞或造成這些區域材料被吹出。

圖27　避免孔洞

5.4.3近場焊接與遠場焊接

分別指離焊頭接觸面小于6.35 mm或大于6.35 mm的焊接。由于半結晶性樹脂衰減能量傳遞，難以進行遠場焊接。在非結晶性塑料中，任意取向的分子使振動容易傳遞而很少衰減。衰減也發生在低剛性（低模量）樹脂中。在設計容許充足的能量傳遞到接頭區域的零件時，必須注意這些問題。

5.4.4附件、突出部或其它零件

如圖28所示，鑄在模塑內或外表面上的附件、突出部或其它零件可能受到機械振動的影響而造成斷裂。為了弱化或消除這個問題在附件與主體交叉區增加大半徑；通過外部手段減少彎曲；通過增加厚度或者添加加強筋或角撐板來提供附件剛性；評估其它頻率。

5.4.5薄膜效應(diaphragmming effect)或油罐效應(oil-canning effect)

圖28　避免突出

焊頭與零件接觸時來回彎曲產生的高溫造成焊頭熔透或燒穿材料。一般發生在與焊頭接觸的零件薄壁截面中的扁平、圓形部分、零件中心或澆口區域。如圖29所示。可以通過以下一種或多種措施加以解決：縮短焊接時間；提高或降低振幅；振幅分階；波節沖桿置于焊頭處；加厚壁面；加內支撐筋；評估其它頻率；從焊頭波節區至表面施加正風壓；通過夾具抽真空；用通氣焊頭焊接。

圖29　薄膜效應

5.4.6焊頭的接觸與布置

對模制件的成功焊接起重要作用。一般說來，焊頭應大到足以懸于零件邊緣之上，以便它直接壓在接頭區域正上方（如圖30所示）。這樣做有助于引導機械能量并防止對接觸表面產生壓痕。也可增加焊接區域正上方的焊頭或零件表面以提供更好的接觸，這可以改善能量傳遞的一致性。焊頭與零件之間的接觸面積必須大于總的焊接面積。不能做到這點會產生表面壓痕。

6　超聲波焊接特點

圖30　焊頭大小的選擇

超聲波焊接清潔、環保無害（不用黏接劑、溶劑）、接頭外觀優良、焊縫強度高、質量好、產品一致性好、能量效率高、低成本、低能耗、焊接速度快（典型的焊接時間從0.5~1.5 s）、生產效率高、容易實現自動化、適合于大批生產（自動化流水線生產）、適用于統計過程控制（計算機控制過程）、可焊接異種塑料。同其它焊接方法相比，可以快速更換工具，適應性、通用性好。主要缺點是單個焊頭能焊接的最大零件長度限于約250 mm，這是因為單個換能器的功率輸出能力受限，焊頭不能傳遞很高的能量以及由于該長度的接頭和超聲波波長相差不大，振幅控制困難。此外，需專門的接頭設計。超聲振動可能損壞電氣元件。

7　超聲波焊接應用

包裝行業：罩板包裝（透明塑料罩、泡罩包裝）、貯袋、儲存罐、紙盒噴口

家用器具：蒸汽電熨斗、泵殼、真空吸塵器伸長桿、洗碗機噴水臂、咖啡壺

汽車：前燈、尾燈、透鏡、過濾器、閥門、手套箱蓋、儀表組、空氣分流器、空氣流量計、加熱器導管、活動房屋式旅游車車身、安全帶鎖、電子鑰匙鏈

電氣：接線板、接線盒、接插件、開關、繞線管

醫療：動脈濾器、心力計容器、導液管、血液/氣體過濾器、口罩、靜脈注射針尖/過濾器、醫用輸液瓶

其它應用包括：信息儲存磁盤、色帶盒、錄音和錄像帶、膠片暗盒、電子計算器、手機殼、鐘殼、小電池、玩具、雙層絕熱飲水杯等。

8　超聲波焊接派生方法

8.1超聲波點焊(ultrasonic spot welding)

如圖31所示，在超聲波點焊過程中，焊頭端部穿透待焊上板。熔化塑料在焊頭端部成形的表面形成整潔的隆起環。能量在兩板接觸面釋放，產生摩擦熱。在端部穿入下板時，排出的熔化塑料流入兩板間的預熱區并形成永久連接。超聲波點焊能產生強的結構焊縫，尤其適用于大型零件或有復雜幾何形狀或難以到達連接表面的零件。適合于焊接擠壓或鑄塑熱塑性塑料板，通常用于真空成形零件如吸塑包裝（泡罩包裝）。

圖31　超聲波點焊

8.2超聲波鉚焊(ultrasonic staking) /超聲波鉚接

如圖32所示，超聲振動熔化和重整塑料螺栓以鎖定另一零件。塑料零件上的螺栓在另一零件的孔中伸出，特型焊頭接觸和熔化螺栓頂部并形成鉚釘狀的頭部。在需連接不可焊的兩種不同熱塑性塑料或連接熱塑性塑料與另一種材料如金屬時，可以采用超聲波鉚接。

圖32　超聲波鉚焊

8.3超聲波壓邊焊(ultrasonic swaging) /超聲波成型

如圖33所示，超聲振動熔化和整形塑料隆起部以鎖定另一零件。超聲波壓邊焊與超聲波鉚焊類似，只不過外形較大，不是鉚釘形外觀。超聲波壓邊焊用于各種用途中，如將熱塑性塑料管或桿整形至所需的形狀便于與管接頭連接。

8.4超聲波嵌壓焊(ultrasonic insertion) /超聲波埋植

圖33　超聲波壓邊焊

如圖34所示，超聲振動使金屬嵌件埋入塑料零件的預制孔中。

圖34　超聲波嵌壓焊

9　超聲波焊接進展

在最初的電源設計中，將電氣元件調至機械系統（換能器、變幅桿、焊頭）的諧振頻率很重要。由于焊接循環過程中發熱和零件與焊接套件耦合作用的結果，諧振頻率通常會隨著時間稍微變化，因此在整個焊接循環過程中通常難以找到系統適當運作的單一頻率。在新式裝置中，電源不僅能在啟動時自調節，而且能在單個循環過程中跟蹤頻率而不需操作者介入。此外，新電源能夠通過數字控制改變振幅，這樣操作者可以在不必拆下焊接套件和更換變幅桿的情況下改變焊接振幅。

業已證實以熱歷程和焊接階段為基礎改變焊接過程中的振幅可以提高焊接質量。例如，通過降低焊接循環末期的振幅（振幅分階），可減少發熱和非結晶性塑料的剪切稀化（shear thinning），提高焊縫強度及減少焊接飛邊。此外，由于剪切稀化減少，分子流動性增加，造成焊縫界面焊合程度提高。與此類似，力分階方法能提高結晶性塑料的焊縫強度。結晶性塑料的振幅分階不太有效，因為同非結晶性塑料相比它們的黏度對溫度的敏感性要低得多。

最近，新型換能器能夠產生多達6 kW（20和15 kHz）的功率，因而功率限制不再是個問題，這允許更大的焊接應用。此外，多個換能器可以成組并聯驅動一個焊頭以獲得更大的功率容量。

已經證實通過使用數字位移編碼器和能改變焊接壓力與行走距離的伺服驅動傳動裝置提高焊縫質量的一致性是可行的。其它傳動裝置設計使用的是步進電機驅動。在最近幾年里通過使用剛性支座變幅桿，焊接套件的位移控制也得以改善。過去變幅桿位于節點處的夾緊環用O形橡膠圈使焊接套件與壓力作用器組件隔離。但O形圈允許偏移及造成焊縫不一致。在可能出現這個問題的場合，專門設計的變幅桿用可大大減少偏移的金屬偏轉環替代O形橡膠圈以降低焊縫的不一致性。

此外，許多新型產品具有內置統計過程控制和自診斷功能以便在需要維修或防止電源故障時通過因特網自動與制造商聯系。

10　結語

超聲波焊接是最常用的塑料焊接方法。超聲波焊接區域的熱量增加是機械振動的吸收、連接區振動（波）的反射及零件表面的摩擦綜合作用的結果。

零件的超聲波焊接性由焊接設備、被焊材料的物理性能、零件的設計和焊接參數決定。材料焊接的難易程度取決于傳遞高頻振動的能力。通常，彈性模量高的塑料對振動具有較低的內部損耗，因而能傳遞最大能量到接頭處。這意味著材料剛性愈大，超聲波焊接愈容易。

超聲波成功焊接至關重要的是適當的接頭設計、適當的焊頭振幅、適當的焊頭接觸面積。

超聲波焊接過程的最佳條件選配需考慮三個主要因素：材料性能、零件和接頭設計、適用性要求。材料性能影響振動能量從焊頭界面至接頭處的傳遞。 因此，材料的變化會導致重新評估設計和過程。零件和接頭設計對于決定最終組件中材料的性能方面至關重要。與材料性能一樣，零件設計影響能量傳遞至焊縫區域的效率。接頭設計在焊接過程中可以起集中應用能量、向接頭提供適當熔液量和提供零件對齊的作用，因而直接影響焊縫質量。由于外加負載、密封要求、接頭外觀、飛邊容差這些因素影響零件接頭類型（接頭設計）的選擇，因而適用性要求也必須考慮。

導能筋最常用于非結晶性塑料（可獲得密封接頭），也用于半結晶性塑料（但不能獲得密封接頭）。剪切接頭和斜接接頭用于結晶性塑料。

通常近場焊接用于有較高能量吸收特性的結晶性塑料和低剛性材料，而遠場焊接用于對超聲波能量吸收較低的非結晶性和高剛性材料。

超聲波焊接具有清潔、環保無害、焊接速度快、焊縫強度高、容易實現自動化、適合于大批生產等優點，是各行各業大批量生產首選的塑料焊接方法。

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊第2卷：材料的焊接（第3版）[M]. 北京：機械工業出版社，2008，1 155~1 179.

[2] 張勝玉. 塑料焊接在汽車工業上的應用[J]. 塑料,2004, 33(6):89~94.

[3] 張勝玉. 熱塑性復合材料及其焊接[J]. 纖維復合材料，2000，(4)：45~48.

[4] GHEORGHE AMZA , etc. Contributions Regarding Plastic Materials Ultrasonic Welding used in Automotive Industry. MATERIALE PLASTICE, vol. 47, no. 1, p. 90~93, 2010.

(XS-04)

Plastic ultrasonic welding technology(Part 2)

Plastic ultrasonic welding technology(2)

Zhang Shengyu
(Hanrui Puzer Handling technology (Shanghai) Co., Ltd., 201505 Shanghai, China)

Ultrasonic welding is the most common type of plastic welding technology, renowned in plastics processing industry. Because of fast welding speed, low power, good consistency and reproducibility of welded quality, this technology is the first choice of mass production of packaging, automotive, medical, electrical, electronics and household appliances industry. This paper discusses the principle, process, equipment, process parameters, characteristics, application, derived method, and latest development of ultrasonic welding, while focusing on summarizing and concluding weldability and welding joint design.

ultrasonic welding; welding; welding head; energy director bar; joint design; near-field welding; far-fi eld welding; amplitude phased; force phased

TQ320.674

1009-797X(2015)10-0007-09

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.002

張勝玉（1970-），男，高級工程師，畢業于上海交通大學材料科學及工程系焊接專業，工學學士。已發表論文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三屆華中地區科學技術推廣大會榮獲二等獎，《攪動摩擦焊原理及應用》被中國高科技產業化研究會評為一等獎，研究方向為塑料及復合材料焊接，焊接新技術新工藝。

2014-08-14