淺析超聲波塑料焊接工藝與應用

金范植

（廈門華聯電子股份有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

超聲波塑料焊接工藝屬于固相焊接方法，通過高頻彈性振動和在工件之間靜壓力的夾持作用來實現焊接件之間的連接。在用超聲波塑料焊接機來進行焊接時，既不用其他的輔助的焊接添加劑，也不會消耗大量的熱能，具有整體焊接操作比較簡單，焊接的效率高等優勢[1]。因此，隨著各種塑料制品在各個領域中的大量應用，超聲波塑料焊接工藝也廣泛應用在塑料制品的焊接處理作業中。

1 超聲波塑料焊接介紹

1.1 超聲波塑料焊接的定義

超聲波塑料焊接是通過超聲波振動摩擦后產生熱量的原理（把2個需要焊接的塑料工件放在一起壓緊，其中一個工件固定住不動，另一個工件做直線往復運動，從而通過摩擦產生熱量，然后把2件塑料工件的熔接線熔化、固接），在壓力作用下相互摩擦后產生分子層直接熔合的一種焊接法。超聲波塑料焊接可以確保焊接后非常牢靠，不僅性能得到保證，還有很好的外觀效果。

1.2 超聲波塑料焊接原理

當熱塑性的塑料受到超聲波的作用時，在接觸面上會有高頻率的振動，這種高頻振動會生成超聲能量從而造成焊接區域產生局部的高溫。另外由于塑料本身的導熱性能比較差，無法及時地散發高溫，導致高溫聚集在焊接區域，從而使接觸面的位置被快速熔化，然后再通過施加外部壓力作用后使它們融合在一起。當要停掉超聲波時，外部壓力施加的作用還要再維持數秒，確保可以充分凝固成型，從而實現焊接的目的[2]。焊接原理如圖1所示，將振動產生的能量從焊頭傳遞到工件，然后工件之間摩擦產生的熱量將工件接觸熔接面熔化，從而焊接成一體。

圖1 超聲波塑料焊接原理圖

1.3 超聲波焊接設備

在進行超聲波焊接時要根據不同的產品類型來選擇相應適合的超聲波焊接設備，以下對超聲波的焊接過程和設備進行介紹。

1.3.1 焊接過程介紹

首先利用超聲波發生器把50Hz電流轉換為15kHz～40kHz的高頻電能。然后通過換能器把高頻電能轉換為機械能，之后再通過變幅桿裝置把機械能傳遞到焊頭。最后這些振動能量透過焊頭傳送到要焊接工件的接合部位，在這部位，振動所產生的能量利用摩擦生熱的方式后會轉換成高溫熱能把要焊接的塑料進行熔化。如圖2所示。

圖2 超聲波焊接機原理圖

1.3.2 設備主要部件介紹

1.3.2.1 超聲波發生器

將50Hz的電能轉換成15kHz～40kHz的高頻電能。然后再驅動超聲波換能器進行工作。

1.3.2.2 超聲波換能器

將高頻率的電能轉換為相同頻率的機械能，超聲波換能器的材質一般是壓電陶瓷。

1.3.2.3 超聲波變幅桿

通過調整振幅桿的質量比來加大或者降低振幅，調節振幅的大小。

1.3.2.4 超聲波焊接頭

在一定焊接壓力的作用下焊頭把超聲波振動傳遞到要焊接的塑料件上，焊頭要和焊接件相匹配。

1.3.2.5 底模

在焊接時要對焊接件進行固定和支撐，用于固定和支撐的夾具就叫做底模。

1.4 超聲波塑料焊接的優點

超聲波塑料焊接具有獨特的工藝，其優點如下。1）快速精確：絕大部分超聲波塑料焊接可以在0.1s～0.5s完成。2）品質穩定：采用機械化生產，焊接產品的質量穩定可靠。3）經濟實惠：不需要用大量夾具、膠合劑，減少人工，降低成本。4）美觀清潔：表面成形好，不損傷不變形，無劃傷及膠合劑殘痕。5）工序簡潔：不需要預熱，不需要清潔等前后道工序。6）操作便捷：只要設置好焊接參數，操作十分便利。7）強度高、氣密性好：焊縫成分與母材一樣，強度高，氣密性好，不漏水，不透氣。8）可實現自動化焊接：15K超聲波塑料焊接機非常易于實現自動化。

2 超聲波塑料焊接工藝

2.1 超聲波焊接工藝參數說明

超聲波塑料焊接工藝的技術參數主要包括頻率、振幅、焊接時間、焊接壓力、保壓壓力和保壓時間等。實際焊接作業要結合焊接件自身特性、焊接設備條件和焊接參數組合等因素來綜合確定最佳的焊接條件。下面對各個焊接工藝參數分別說明。

2.1.1 焊接頻率

超聲波常用的頻率有15kHz、20kHz、30kHz、35kHz和40kHz。其中使用20kHz的頻率一般會比較容易實現我們所需要的振幅和功率。使用高頻焊接具有聲音小、可焊接小尺寸工件、焊接壓力小和提升加工效率等優勢。采用低頻焊接可以大幅降低塑料中超聲波的衰減，使焊接的距離更加長遠。

2.1.2 振幅

振幅是指焊頭的端面在焊接時在長度方向上從一個最低端到一個最高端之間的距離。在超聲波塑料焊接的工藝參數中，振幅是至關重要的一項，選擇恰當的振幅，超聲波塑料焊接的效果可以得到明顯的提高。較小的振幅會導致塑料變形不足，阻尼震蕩不足，造成材料不能完全熔合，并且可能還會產生熔體碎屑，也會造成焊接的速度過慢。而振幅較高時則會導致材料的焊接溫度較高。所以說振幅這個工藝參數對焊接的影響程度是最大的，在焊接區域產生的熱量和振幅的平方存在關系，即使振幅稍微波動一點，其造成的影響都會很大。

2.1.3 焊接時間

焊接時間指的是施加振動的時間，要想達到良好的焊接效果，必須選擇合適的焊接時間。在焊接過程中熱量和時間是呈正比關系，焊接時間越長所產生的熱量就越大。通過不斷反復的試驗來確定合適的焊接時間，在實際作業過程中焊接時間要考慮適當延長，使焊縫的強度效果達到最好。不過如果焊接時間增加過長的話也會提高產生焊縫飛邊和零件壓痕的可能性。過量的飛邊會影響產品的外觀，還要人工進行去除飛邊，降低生產效率。

2.1.4 保壓時間和保壓壓力

在超聲波停止之后，為了讓工件能夠很好地焊接在一起，需要在一定時間范圍內持續施加一定的壓力，這里所需的時間和壓力就是保壓時間和保壓壓力。保壓時間和保壓壓力對焊接強度起正面的作用，一般在合適的保壓壓力前提之下，保壓的時間越長焊接的質量就越穩定，跟其他工藝參數相比，保壓時間和保壓壓力對焊接接頭強度的影響比較小。

2.1.5 焊接壓力

合適的焊接壓力是達到好的焊接效果必不可少的條件之一。如果焊接壓力太小，不僅會導致產品表面磨損、焊接的噪聲增大，還會導致焊接的熔體不足，熔接的強度不夠。通過適當地增加焊接壓力就可以大幅地提高焊接連接力，同時可以使焊接表面的磨損減少。如果焊接壓力太大，就會造成焊接件之間相互移動，導致焊接熔體過多從而在產品表面溢出，而且還有可能出現焊接壓力沒有作用在焊接結合點位置的情況。

2.2 超聲波焊接的模式

不同的超聲波焊接機有不同的模式，例如有時間模式、相對深度模式、混合模式等。焊接模式的不同對焊接作業的過程和效果都有極大的影響，所以根據不同類型的焊接制品來選擇相應適合的超聲波焊接模式至關重要。

2.3 焊接工藝參數的優化

通過上述各項分析可知，超聲波塑料焊接中的各個焊接工藝參數是相互影響和制約的。不管是改變振幅、焊接的壓力、時間和模式都會對焊接的質量有直接的影響。而焊接件本身的含水率和采用的脫模劑等塑料的物理特性也會影響到焊接的性能。另外塑料焊接導能筋的結構設計和焊接工件本身的可焊性的好壞會直接影響到焊接質量。所以確定最好的工藝參數組合，要綜合考慮全部因素對焊接質量的影響，而不是單獨分析其中一兩個因素對焊接質量的影響就可以了，先通過全面認真地分析之后，再進行針對性地調節和優化[3]。

3 超聲波塑料焊接的應用

3.1 應用項目介紹

3.1.1 項目概要

電源是所有電器中都必須具備的重要部分，而且電源也是電器系統的承載最大的環節。因此電源本身的安全性要求嚴格，特別是對防水要求更高。針對電源板項目防水要求進行分析并確認，對滿足要求的通用性的設計方案進行驗證。

3.1.2 電源板防水結構組成及防水要求

3.1.2.1 防水結構組成

防水結構主要由上殼、底殼和焊接筋條3部分組成，通過焊接筋條把上殼和底殼焊接在一起后實現對電源板的防水保護。具體如圖3所示。

圖3 電源板防水結構組成示意圖

3.1.2.2 防水要求

水深：60cm；放置時間：1h；判定基準：無任何水滲進產品內部。

3.2 防水工藝

上殼與底殼為塑膠件，因產品空間問題無法在上、下殼之間增加橡膠密封圈進行密封。經過分析確定使用超聲波塑料焊接工藝，對上、下殼進行熔爐密封。

3.3 超聲波塑料焊接應用方案

3.3.1 上殼與底殼超聲波塑料焊接設計

超聲波焊接工藝為將2種或2種以上的（同種或異種）材料通過原子或分子之間的結合和擴散形成永久性連接的工藝過程。

3.3.2 材料的選擇

超聲波塑料焊接對材料存在要求，需要是熱塑性塑料的材料。這種材料在成型后通過加熱升溫作用后會軟化，可進行重新加工，而且它的化學組織保持不變。熱塑性塑料的樹脂結構在二次加工前后都呈線性結構，在焊接加工過程中化學組織不會發生改變，同時具有可熔和可溶的特性。因此根據材料特性選擇了LG化學PC+ABS 5001RFG+20%PC A9260-71材料。

3.3.3 超聲波塑料焊接結構設計

針對該產品的功能需求，對焊接結構的設計主要考慮以下幾點：1）必須為一個小的接觸面，方便超聲波能量集中傳輸，以達到不傷及表面且能快速焊接的效果。2）固定部分的被熔物，須有足夠的支撐面，以便通過另一部分的自由振動使音波傳導摩擦生熱，達到熔接的效果。3）要預留足夠的空間，讓熔爐的材料流滯以防熔料外溢 ，而破壞產品美觀。

根據上述焊接設計要素對上、下殼超聲波塑料焊接機構進行了如圖4所示的設計。其中A=塑件厚度；B=導能點高度；C=上殼接面配合尺寸；D=底殼（固定）接面配合尺寸；E=美工預留間隙。

圖4 上殼與底殼超聲波焊接設計圖

3.4 超聲波塑料焊接工藝

超聲波塑料焊接工藝需要使用超聲波塑料焊接設備及焊接工裝。焊接設備存在工藝參數要求，該公司經過設計評估及實際操作最終確認工藝參數如下表3。

表3 超聲波塑料焊接參數

3.5 效果測試

客戶要求對每臺電源板進行監控，但是如果按照實際測試，測試品無法繼續使用，需要報廢。因此確認使用氣密性設備前要進行測試，氣密封設備檢測參數如下表4，增加測試穩定性及降低報廢率。

表4 氣密封設備檢測參數

根據實際測試結果，氣密性測試合格即防水測試合格。防水設計達到要求。因此這種超聲波塑料焊接應用的方案可以作為通用型防水設計，可以使用在相似防水要求下的不同產品上，滿足防水要求。

4 結語

超聲波塑料焊接是應用非常廣泛的一種塑料焊接方法。超聲波塑料焊接具有環保、操作技術簡單、焊接的效率高等多個優點，是各個行業大批量生產時優先選擇采用的塑料焊接方法，超聲波塑料焊接的重點是合適的焊接設計、合理的焊接工藝參數組合和合適的塑料件焊接物理特性。隨著塑料取代金屬材料的趨勢越來越大，超聲波塑料焊接工藝已經成為塑料制品加工工藝中非常重要的技術之一。