張勝玉

(漢瑞普澤粉粒體技術(shù)（上海）有限公司，上海 201505)

塑料超聲波焊接技術(shù)(上)

張勝玉

(漢瑞普澤粉粒體技術(shù)（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(shù)，在塑料加工業(yè)久享盛譽(yù)。由于焊接速度快、低能耗、焊縫質(zhì)量一致性與再現(xiàn)性好，該技術(shù)是包裝、汽車、醫(yī)療、電氣、電子、家用器具行業(yè)大批量生產(chǎn)應(yīng)用的首選焊接技術(shù)。在論及超聲波焊接原理及過程、焊接設(shè)備、工藝參數(shù)、特點(diǎn)、應(yīng)用、派生方法、最新進(jìn)展，著重對(duì)焊接性、接頭設(shè)計(jì)進(jìn)行了概括和總結(jié)。

超聲波焊接；焊接性；焊頭；導(dǎo)能筋；接頭設(shè)計(jì)；近場焊；遠(yuǎn)場焊；振幅分階；力分階

塑料超聲波焊接技術(shù)由美國瓊斯等人于1956年首次提出。20世紀(jì)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(shù)并開始投入實(shí)際應(yīng)用。近幾十年以來，隨著塑料及復(fù)合材料大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)量好、易于自動(dòng)化、適合于大批生產(chǎn)等優(yōu)勢得到了極為廣泛的應(yīng)用并成為最常用的塑料焊接方法。

1 超聲波焊接原理及過程

超聲波焊接的基本原理是利用超聲頻機(jī)械振動(dòng)（頻率為10～70 kHz，振幅為1～250 μm）作用于塑料零件，使其在壓力下產(chǎn)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(jié)果）和熔化而形成焊縫。

如圖1所示，超聲波焊接過程分為4個(gè)階段：

第1階段：焊頭與零件接觸，施壓并開始振動(dòng)。摩擦發(fā)熱量熔化導(dǎo)能筋，熔液流入結(jié)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(dòng)產(chǎn)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(dǎo)能筋鋪展并接觸下零件表面時(shí)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(nèi)摩擦產(chǎn)生的。摩擦發(fā)熱使聚合物材料升溫至其熔點(diǎn)。發(fā)熱量取決于作用頻率、振幅和壓力。

第2階段：熔化速度增加導(dǎo)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。此階段的熱量是由黏性耗散（viscous dissipation）產(chǎn)生。

第3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4階段：在經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間或達(dá)到特定的能量、功率級(jí)或距離之后，電源切斷，超聲振動(dòng)停止，開始進(jìn)入第4階段。壓力得以保持，使部分額外熔液擠出結(jié)合面。在焊縫冷卻和凝固時(shí)達(dá)到最大位移量，并發(fā)生分子間擴(kuò)散。

圖1 超聲波焊接過程4階段

2 超聲波焊接設(shè)備

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

2.1 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器的作用是將工頻（50 Hz或60 Hz）電壓轉(zhuǎn)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(guān)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)。

2.2 焊接套件(welding stack)/聲能系統(tǒng)

焊接套件提供超聲機(jī)械振動(dòng)，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(jī)上。焊接套件是有點(diǎn)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(hào)的頻率（相差少于30 Hz）。

2.2.1 換能器

通過逆壓電效應(yīng)將來自于發(fā)生器的超聲頻電壓轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲機(jī)械振動(dòng)。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(hào)經(jīng)由電極提供給換能器時(shí)，壓電片膨脹和收縮，產(chǎn)生15～20 μm的軸向峰到峰運(yùn)動(dòng)。換能器是精密設(shè)備，應(yīng)小心處理。

圖2 超聲波焊機(jī)簡圖

2.2.2 變幅桿

變幅桿有兩個(gè)作用。其主要作用是放大換能器端部產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)并將振動(dòng)傳給焊頭。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機(jī)上的位置。在換能器施加超聲能量時(shí)，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(diào)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(zhì)中的半波長或半波長的整數(shù)倍。一般為半波長。

2.2.3 焊頭

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(diào)諧裝置，在大部分應(yīng)用中也提供機(jī)械放大，焊頭的長度必須是超聲波在其制造材質(zhì)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(shí)現(xiàn)焊接。振幅一般為30～120 μm。待焊零件和接頭設(shè)計(jì)決定焊頭的尺寸和式樣。焊頭的形狀至關(guān)重要，因?yàn)楹割^的軸向膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)在高振幅情況下造成開裂。在某些應(yīng)用中，焊頭加工有多個(gè)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(yīng)專門設(shè)計(jì)以匹配零件來確保焊頭和零件之間實(shí)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HRC54～56的淬硬鋼制成。鈦質(zhì)輕、硬度適當(dāng)、韌性好、聲學(xué)性能優(yōu)是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質(zhì)合金用于高磨損場合。但是其價(jià)格昂貴，難以機(jī)加工。鋁質(zhì)輕、容易加工、聲學(xué)性能好、成本低，用于制作大零件焊接時(shí)的大焊頭和原型焊頭或需復(fù)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(chǎn)應(yīng)用，常用于小批量應(yīng)用。為防止產(chǎn)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(shí)，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強(qiáng)度低，只用于低振幅場合。復(fù)雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復(fù)合式焊頭（子母焊頭），這時(shí)基底焊頭采用鋁質(zhì)，鈦或鋼次級(jí)焊頭與基底焊頭相連并引導(dǎo)能量。

2.3 壓力機(jī)

壓力機(jī)用于固定焊接套件及施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(jī)上帶有壓力表和調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)焊接作用力。應(yīng)該注意的是某一超聲波焊接設(shè)備上設(shè)定的特定表壓與另一設(shè)定同一表壓的焊機(jī)提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力應(yīng)該用測壓儀校準(zhǔn)以便對(duì)不同焊機(jī)之間的焊接作用力進(jìn)行直接比較。壓力機(jī)上也有流量控制閥可以對(duì)焊頭接近待焊零件的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。有些焊接設(shè)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(shí)是有益的。

2.4 支撐工裝

壓力機(jī)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(shí)發(fā)生移動(dòng)專門設(shè)計(jì)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(fù)雜的都有，由零件設(shè)計(jì)來決定。下部零件必須受到牢固放置和支撐。夾具或底座應(yīng)可調(diào)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?yàn)樗菀讬C(jī)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(fù)雜的、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質(zhì)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(shí)間、保壓時(shí)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(shè)備而定。焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點(diǎn)和焊接接頭之間的距離。焊接能力受到塑料傳遞超聲振動(dòng)能力（且零件不受到損傷）的限制。

3.1 頻率

超聲波常用的頻率有20、30、40 kHz，15 kHz常用于半結(jié)晶性塑料。20 kHz是最常用的超聲波頻率，因?yàn)檫@一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達(dá)到，但它可能產(chǎn)生大量難以控制的機(jī)械振動(dòng)，工具變得很大。產(chǎn)生較少振動(dòng)的較高頻率（40 kHz）是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強(qiáng)聚合物。高頻率焊接設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)包括：噪聲小、零部件尺寸小、增強(qiáng)零件保護(hù)（由于減少循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱）、提高機(jī)械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點(diǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)場焊接。較高頻率超聲波焊機(jī)通常用于焊接小型、精密零件（如電氣開關(guān)）及材料降解需較少的零件。對(duì)于15 kHz的焊機(jī)能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20 kHz焊機(jī)焊接時(shí)的材料降解少。用20 kHz勉強(qiáng)能焊的零件（尤其是那些由高性能工程樹脂加工成的），用15 kHz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15 kHz的另一重要優(yōu)點(diǎn)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(yuǎn)場距離。

3.2 振幅

成功焊接取決于焊頭端部的適當(dāng)振幅。對(duì)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(dāng)程度的熔化。一般說來，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅。現(xiàn)代超聲波焊機(jī)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(huì)改善剪切接頭設(shè)計(jì)零件的焊縫質(zhì)量。對(duì)于對(duì)接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質(zhì)量提高且焊接時(shí)間減少。

在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率（Qavg）取決于材料的復(fù)合損耗模量（E?）、頻率（ω）和作用應(yīng)變（ε0）：

熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān)。在達(dá)到熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升（達(dá)1 000 ℃/s）。作用應(yīng)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(gè)控制熱塑性塑料擠壓流動(dòng)速率的重要參數(shù)。高振幅時(shí)，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生大量飛邊及焊縫強(qiáng)度較低。高振幅對(duì)于開始熔化是必需的。太低的振幅產(chǎn)生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固。當(dāng)增加振幅時(shí)，更大量的振動(dòng)能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應(yīng)力。在整個(gè)焊接循環(huán)過程中振幅恒定時(shí)，通常采用的是對(duì)待焊零件不至于產(chǎn)生過量損害的最高振幅。對(duì)于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。

振幅可以機(jī)械調(diào)節(jié)（通過更換變幅桿或焊頭）或者電氣調(diào)節(jié)（通過改變提供給換能器的電壓）。在實(shí)踐中，較大振幅調(diào)節(jié)采用機(jī)械方式而微調(diào)用的是電氣方式。高熔點(diǎn)材料、遠(yuǎn)場焊縫及半結(jié)晶性塑料通常需要比非結(jié)晶性塑料和近場焊縫更大的振幅。非結(jié)晶性塑料典型的總振幅范圍是30～100 μm，而結(jié)晶性塑料為60～125 μm。振幅分階（amplitude profiling）能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熔體流動(dòng)和一致的高焊縫強(qiáng)度。對(duì)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。

3.3 焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是施加振動(dòng)的時(shí)間。每一用途合適的焊接時(shí)間由試驗(yàn)確定。增加焊接時(shí)間會(huì)提高焊縫強(qiáng)度直至達(dá)到最佳時(shí)間為止。進(jìn)一步增加焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低或者只是稍稍增加強(qiáng)度，而與此同時(shí)會(huì)增加焊縫飛邊和提高產(chǎn)生零件壓痕的可能性。避免過焊是很重要的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生需修整的過量飛邊，這可能降低焊縫質(zhì)量，在需密封接頭的零件中產(chǎn)生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長焊接時(shí)間時(shí)在遠(yuǎn)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。

3.4 保壓時(shí)間

保壓時(shí)間是指焊后零件在無振動(dòng)壓力下結(jié)合和凝固的標(biāo)稱時(shí)間。在大部分情況下，它并不是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，0.3～0.5 s一般足夠了，除非內(nèi)載荷易于拆開焊接零件（如焊前壓縮的螺旋彈簧）。

3.5 壓力

焊接壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動(dòng)傳入零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時(shí)，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對(duì)于良好焊接是必不可少的。如果壓力過低，會(huì)造成能量傳遞差或不足的熔體流動(dòng)，導(dǎo)致不必要的長時(shí)間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會(huì)減少實(shí)現(xiàn)相同位移所需的焊接時(shí)間。如果壓力過高，會(huì)造成沿流動(dòng)方向的分子取向及降低焊縫強(qiáng)度，可能產(chǎn)生零件壓痕。極端情況下如果相對(duì)于焊頭端部振幅來說壓力過高，可能會(huì)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(shí)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(jìn)行的。對(duì)于某些裝置，循環(huán)過程中力是可以改變的，即進(jìn)行力分階（force profiling），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(kuò)散時(shí)間，減低分子取向并提高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于有較低熔體黏度類似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強(qiáng)度。

3.6 焊接模式

按時(shí)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(shí)間，通常是0.2～1 s。這個(gè)過程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假設(shè)固定的焊接時(shí)間導(dǎo)致固定量的能量作用于接頭，產(chǎn)生可控量的熔化條件下的理想情況。實(shí)際上，從一個(gè)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(gè)因素造成的（如兩零件之間的配合）。因?yàn)槟芰侩S功率和時(shí)間而變化，時(shí)間固定，施加的能量從一個(gè)零件到下一零件會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于一致性非常重要的大批量生產(chǎn)，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(jī)器軟件測量吸收的功率并調(diào)節(jié)加工時(shí)間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個(gè)過程的假設(shè)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(shí)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(jié)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(qiáng)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(yùn)作不取決于時(shí)間、吸收的能量或功率，補(bǔ)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(zhì)量，可以對(duì)形成焊縫所用的能量或所花的時(shí)間設(shè)定限度。

4 各種塑料的超聲波焊接性

塑料的性能影響超聲波的成功焊接。塑料的超聲波焊接性取決于塑料對(duì)超聲振動(dòng)的衰減能力和熔化溫度的高低以及物理性能如彈性模量、抗沖擊性、摩擦系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等。實(shí)驗(yàn)證明，塑料的焊接性G正比于彈性模量E、導(dǎo)熱系數(shù)λ、摩擦系數(shù)μ，反比于塑料的密度ρ、比熱容C、熔點(diǎn)t ，如下式表示：

式中：

K——焊件形狀因子，取決于焊件的壁厚、尺寸大小及焊頭的形狀尺寸；

E——塑料的彈性模量（GN/m2）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）；

μ——塑料的摩擦系數(shù)；

ρ——塑料的密度（kg/m3）；

C——比熱（J/kg·K）；

t——熔點(diǎn)（K）。

通常限定選擇特定用途材料的性能是那些使焊接變困難的性能如高的熔點(diǎn)或結(jié)晶度。一般來說，塑料剛性愈大，愈容易焊接。剛性塑料容易傳遞超聲波能量，而軟塑料在能量到達(dá)接頭區(qū)域之前常常衰減能量。待焊材料的剛性是一個(gè)可能受到環(huán)境溫度和濕度影響的重要性能。顏料、脫模劑、玻璃填料和增強(qiáng)纖維的影響更大。

4.1 高分子結(jié)構(gòu)

非結(jié)晶性塑料有任意的分子結(jié)構(gòu)，在較寬的溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變狀態(tài)，然后是液體熔化狀態(tài)。凝固也是逐步的，避免了過早凝固。非結(jié)晶性塑料能有效地傳遞超聲振動(dòng)，能夠在各種工藝條件下進(jìn)行焊接，也能比較容易地獲得密封接頭。

半結(jié)晶性塑料的特點(diǎn)是分子結(jié)構(gòu)有序排列。需高熱量破壞這種有序排列。熔點(diǎn)明顯，溫度稍稍降低就很快地出現(xiàn)再凝固。流出接頭加熱區(qū)的熔液因而快速凝固。固態(tài)時(shí)半結(jié)晶性分子象彈簧一樣吸收很大一部分超聲振動(dòng)而不是將其傳遞到接頭界面處，所以必需采用高振幅以產(chǎn)生足夠的熱量用于焊接。

4.2 填料和增強(qiáng)物

熱塑性塑料中的填料（玻璃、滑石、礦物質(zhì)）可以改善或抑制超聲波焊接。碳酸鈣、高嶺土、滑石、氫氧化鋁、有機(jī)填料、硅石、玻璃球（硅灰石）和云母等材料能增加樹脂的剛性，在含量達(dá)20%時(shí)能夠提高整個(gè)材料（尤其是半結(jié)晶性塑料）的超聲波能量傳遞性能。在含量達(dá)35%時(shí)，可能在需可靠氣密封接的接頭處出現(xiàn)熱塑性樹脂不足。填料達(dá)40%時(shí)，纖維在接合面處聚集，熱塑性材料不足，不能形成牢固的連接。長纖維在模塑過程中可能產(chǎn)生聚集，造成導(dǎo)能筋可能含有比基體材料更高百分含量的玻璃。這個(gè)問題可以通過使用短纖維玻璃填料加以解決。

在填料含量超過10%時(shí)，許多填料中的磨料顆粒引起焊頭磨損。推薦使用淬硬鋼或涂硬質(zhì)合金的鈦焊頭。也可能需要更高功率的超聲波設(shè)備在接頭處產(chǎn)生足夠的熱量。

4.3 添加劑

添加劑盡管可以提高母材的綜合性能或成形性，但通常增加獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難度。典型的添加劑包括：增塑劑、抗沖改性劑、阻燃劑、著色劑、潤滑劑、發(fā)泡劑、回收料。

增塑劑、高溫有機(jī)液體或低溫熔化體增加塑料的柔性和軟度，降低其剛性。它們降低聚合物內(nèi)分子間吸引力，影響振動(dòng)能量的傳遞。高度增塑的材料如乙烯樹脂是非常差的超聲波能量傳遞介質(zhì)。增塑劑通常看作是內(nèi)用添加劑，但隨著時(shí)間的推移它們會(huì)遷移到表面，使超聲波焊接變得幾乎不可能。含金屬的增塑劑比美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)的增塑劑有害作用更大。

抗沖改性劑如橡膠降低材料傳遞超聲振動(dòng)的能力，需更高的振幅以產(chǎn)生熔化?？箾_改性劑減少了結(jié)合面處的熱塑性材料數(shù)量，因而也影響材料的焊接性。

阻燃劑、無機(jī)氧化物或鹵化有機(jī)元素如鋁、銻、硼、氯、溴、硫、氮或磷添加到樹脂中以抑制燃燒或改變材料的燃燒性能。在大多數(shù)情況下，它們是不可焊的。阻燃劑可能占材料總重量的50%或更多，降低了零件中可焊材料量。焊接這些材料時(shí)，有必要采用高功率的設(shè)備、高于通常的振幅和更改接頭設(shè)計(jì)以增加結(jié)合面處可焊材料的數(shù)量。

顏料對(duì)超聲波焊接的影響可能相當(dāng)大。大多數(shù)顏料是無機(jī)化合物，所用的濃度一般為0.5%～2%。大多數(shù)著色劑并不抑制超聲波能量傳遞。但它們會(huì)造成結(jié)合面處有效可焊材料量減少。白色顏料中的二氧化鈦是無機(jī)物，具有化學(xué)惰性。它可充當(dāng)潤滑劑，如果使用含量超過5%，會(huì)降低可焊性。炭黑也會(huì)阻礙材料的超聲波能量傳遞。塑料中含著色劑時(shí)可能需要變更工藝參數(shù)。如果焊接設(shè)備采用未染色零件產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)焊縫的規(guī)范焊接著色零件，著色零件的焊縫質(zhì)量可能會(huì)明顯偏低（焊縫強(qiáng)度低、脆性大）。顏料影響超聲波焊接的機(jī)理迄今為止還沒有得到確認(rèn)。顏料的存在似乎影響接頭處的發(fā)熱方式。通常著色零件焊接時(shí)間長于未染色零件的預(yù)期時(shí)間，藉此可解決焊縫質(zhì)量低的問題。焊接時(shí)間可能必須增加50%或更多。然而，較長焊接時(shí)間可能會(huì)產(chǎn)生不良影響如形成過多的焊接飛邊和造成焊頭下的損傷。在打算用超聲波焊接必須模塑的著色材料時(shí)，建議對(duì)模制樣品進(jìn)行試焊以確定其可行性。在許多商業(yè)應(yīng)用中，焊縫強(qiáng)度和韌度并不是關(guān)鍵要求。使用并不顯著影響超聲波焊接的顏料也許是一種可選擇的解決方案。

內(nèi)潤滑劑（蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸、脂肪酸酯）降低聚合物分子間的摩擦系數(shù)，造成發(fā)熱量減少。不過，由于它們的濃度很低并且彌散分布在塑料中而不是集中于結(jié)合面處，因而通常影響最小。

發(fā)泡劑降低樹脂傳遞能量的能力。依密度的不同，微孔結(jié)構(gòu)中的空洞不同程度地中斷能流，減少到達(dá)接頭區(qū)域的能量。

對(duì)含有較高或不同含量回收料的待焊材料應(yīng)仔細(xì)加以評(píng)估。為實(shí)現(xiàn)最佳焊接有必要控制待焊零件中回收料的質(zhì)量和數(shù)量。在某些情況下，可能需要100%的純凈原材料。

4.4 脫模劑

外脫模劑（硬脂酸鋅、硬脂酸鋁、碳氟化合物、硅酮）通常噴涂于模腔表面形成便于零件移去的分離涂層。脫模劑可能會(huì)轉(zhuǎn)移到結(jié)合面處，降低待焊材料的摩擦系數(shù)，影響結(jié)合面的發(fā)熱，阻礙熔化表面的熔合和形成合適的連接。硅酮的有害影響最大。外脫模劑有時(shí)可用溶劑加以清除。如果必需用外脫模劑，可涂、可印級(jí)脫模劑并不轉(zhuǎn)移到模制零件上，但阻礙樹脂潤濕模具表面，這些級(jí)別的脫模劑對(duì)超聲波焊接的有害作用最小。

4.5 材料級(jí)別

不同級(jí)別的同種材料可能具有不同的流速和不同的熔點(diǎn)。一個(gè)零件熔化和流動(dòng)，而另一個(gè)不是這樣，不會(huì)形成連接。譬如，澆鑄級(jí)丙烯酸具有更高的分子量和熔點(diǎn)，比注射、擠壓級(jí)更脆，因而它們較難焊接在一起。一般說來，待焊兩種材料應(yīng)具有相似的熔化流動(dòng)速度（熔化流動(dòng)速度反映出分子量的大?。舜说娜埸c(diǎn)差在22℃以內(nèi)。要獲得最好的結(jié)果，應(yīng)焊接同級(jí)樹脂。

4.6 水分

材料中的水分含量影響焊縫強(qiáng)度。吸濕材料如聚酯、聚碳酸酯、聚砜，尤其是尼龍從空氣中吸收水分。焊接時(shí)吸收的水分在100℃會(huì)沸騰，殘存氣體會(huì)產(chǎn)生氣孔及可能降解結(jié)合面處的塑料，造成外觀變差、結(jié)合不良及難以獲得氣密封接。為獲得最佳效果，這些材料應(yīng)在模制后立即進(jìn)行焊接。如果這樣不可行，零件應(yīng)儲(chǔ)存在乙烯包裝袋中保持鑄態(tài)干燥。焊前可用專用烘箱干燥零件，但必須注意避免材料降解。

4.7 同種材料的焊接

聚苯乙烯、SAN、ABS、聚碳酸酯和丙烯酸塑料通常能獲得優(yōu)良的結(jié)果，PVC和纖維素塑料易于衰減能量，在表面處變形或降解。如果焊頭位置靠近接頭區(qū)域（近場焊接），低模量材料如聚乙烯通常也是可焊的。各種熱塑性塑料超聲波焊接相容性見表1。

4.8 異種材料的焊接

在焊接異種材料時(shí)，兩材料之間的熔點(diǎn)差不應(yīng)超過22℃，分子結(jié)構(gòu)應(yīng)相似。對(duì)于熔點(diǎn)差異較大的情況，低熔點(diǎn)材料熔化和流動(dòng)，阻止足夠的熱生成量熔化高熔點(diǎn)材料。例如，高溫丙烯酸同低溫丙烯酸相焊，導(dǎo)能筋鑄在高溫零件上，低溫零件在導(dǎo)能筋之前熔化和流動(dòng)，連接強(qiáng)度會(huì)很差。只有具有相似分子團(tuán)的化學(xué)相容材料才能進(jìn)行焊接。相容性僅僅存在于某些非結(jié)晶性塑料或含有非結(jié)晶性塑料的混合物中。典型的例子如ABS與丙烯酸，PC與丙烯酸、聚苯乙烯與改性聚苯醚。半結(jié)晶性聚丙烯與聚乙烯有很多相同的物理性質(zhì)，但化學(xué)不相容，不能進(jìn)行超聲波焊接。表2列出了部分熱塑性塑料的超聲波焊接相容性。

5 超聲波焊接接頭設(shè)計(jì)

接頭設(shè)計(jì)是超聲波焊接的最重要方面。接頭設(shè)計(jì)應(yīng)在待焊零件還處于設(shè)計(jì)階段時(shí)就加以考慮，并成為模制件的一部分。有各種各樣的接頭設(shè)計(jì)，每一種都有其具體的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。接頭設(shè)計(jì)的選擇由塑料種類、零件幾何形狀、焊接要求、機(jī)加工和模塑能力、表面外觀等因素決定。

為了獲得合格的、可重復(fù)的焊接接頭，必須遵循以下三條通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）配合表面之間的初始接觸面積應(yīng)足夠小以集中和減少開始和完成熔化所需的總能量及時(shí)間。振動(dòng)焊頭與零件接觸時(shí)間的最小化也降低了劃傷的可能性。由于移動(dòng)材料少，飛邊也很少。

（2）應(yīng)提供對(duì)齊配合件的方式。應(yīng)采用銷和插座、臺(tái)階或榫槽而不是振動(dòng)焊頭或夾具來對(duì)齊零件以確保適當(dāng)?shù)?、可重?fù)的對(duì)準(zhǔn)并避免產(chǎn)生壓痕。

（3）焊頭接觸位置應(yīng)布置在接頭區(qū)域正上方以便傳遞機(jī)械能量至接頭區(qū)域并降低接觸面產(chǎn)生壓痕的傾向。

導(dǎo)能筋和剪切接頭是主要的接頭設(shè)計(jì)形式，還有一種不常見的接頭形式——斜接接頭。剪切接頭和斜接接頭用于結(jié)晶性塑料，通常設(shè)計(jì)成過盈配合。

表1 各種熱塑性塑料的超聲波焊接性

5.1 導(dǎo)能筋

5.1.1 帶導(dǎo)能筋的對(duì)接接頭

帶導(dǎo)能筋的對(duì)接接頭是最常用的超聲波焊接接頭設(shè)計(jì)，也最容易鑄成零件。該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是一個(gè)鑄在零件配合面的90°或60°小三角形隆起（導(dǎo)能筋）。導(dǎo)能筋將初始接觸限于非常小的區(qū)域并將超聲能量集中在三角形頂部。在焊接循環(huán)過程中，聚集的超聲能量使導(dǎo)能筋熔化和塑料流遍接頭區(qū)域，將兩零件連接在一起。

導(dǎo)能筋最常用于非結(jié)晶性塑料，也用于半結(jié)晶性塑料。一般90°夾角的導(dǎo)能筋用于非結(jié)晶性塑料，60°夾角用于半結(jié)晶性塑料。夾角可以依材料、填料、零件幾何形狀或要求的不同發(fā)生改變。對(duì)于易焊塑料（非結(jié)晶性塑料如ABS、丙烯晴樹脂、丙烯酸、聚苯乙烯），導(dǎo)能筋的尺寸取決于待焊面積。通常導(dǎo)能筋的最小高度在0.2～0.6 mm之間。結(jié)晶性塑料如尼龍、熱塑性聚酯、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚以及高熔點(diǎn)非結(jié)晶性塑料如聚碳酸酯和聚砜較難焊接。對(duì)這些難焊塑料，導(dǎo)能筋最小高度在0.4～0.5 mm之間，夾角通常為60°。

90°夾角的導(dǎo)能筋高度至少應(yīng)為10%的接頭寬度，寬度至少應(yīng)達(dá)到接頭寬度的20%。圖3為帶90°夾角導(dǎo)能筋的對(duì)接接頭。對(duì)于厚壁接頭，應(yīng)使用兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)能筋，其總高度應(yīng)等于10%接頭寬度。在焊聚碳酸酯零件時(shí)，為獲得密封接頭，零件設(shè)計(jì)建議用60°夾角導(dǎo)能筋，導(dǎo)能筋寬度應(yīng)等于25%到30%壁厚。圖4為帶60°夾角導(dǎo)能筋的對(duì)接接頭。圖5顯示零件尺寸的確定應(yīng)考慮到來自導(dǎo)能筋的熔化材料的流動(dòng)遍及接頭區(qū)域。在焊接同種材料零件時(shí)，可以在任一零件上設(shè)計(jì)導(dǎo)能筋。但在焊接異種材料組合時(shí)，通常將導(dǎo)能筋置于材料有最高熔點(diǎn)和剛性的零件上。在一個(gè)焊接零件由共聚物或三聚物（如ABS）組成，另一零件由均聚物（如丙烯酸）組成時(shí)，導(dǎo)能筋應(yīng)置于均聚物零件上。

表2 各種塑料的超聲波焊接相容性?）中物合混、分成、級(jí)等些某（容相下況情些某在示表○；容相示表●：注

導(dǎo)能筋在結(jié)合面的尺寸和位置取決于：材料種類、使用要求、零件尺寸。導(dǎo)能筋頂部應(yīng)盡可能尖利。頂部圓形或平直的導(dǎo)能筋不會(huì)有效流動(dòng)。就帶導(dǎo)能筋的半結(jié)晶性塑料來說，最大連接強(qiáng)度通常只來自于導(dǎo)能筋的底寬處。導(dǎo)能筋設(shè)計(jì)要求對(duì)齊方式如銷和插座、對(duì)齊擋邊、舌槽設(shè)計(jì)。脫模銷不應(yīng)置于焊接區(qū)域。由于對(duì)接接頭不能自定位，必需用夾具對(duì)齊零件。只要配合表面幾乎彼此完全平齊，非結(jié)晶性塑料的對(duì)接接頭可實(shí)現(xiàn)密封。結(jié)晶性塑料的對(duì)接接頭難以實(shí)現(xiàn)密封，這是因?yàn)楹附舆^程中熔液暴露于空氣中，加速結(jié)晶及造成熔體氧化降解，使焊縫變脆。

Plastic ultrasonic welding technology(Part 1)

Plastic ultrasonic welding technology

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-f eld welding; amplitude phased; force phased

圖3 90°夾角導(dǎo)能筋

圖4 60°夾角導(dǎo)能筋

圖5 零件尺寸的確定

TQ320.674

1009-797X(2015)08-0007-10

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.08.002

（末完待續(xù)）

張勝玉（1970-），男，高級(jí)工程師，畢業(yè)于上海交通大學(xué)材料科學(xué)及工程系焊接專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。已發(fā)表論文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三屆華中地區(qū)科學(xué)技術(shù)推廣大會(huì)榮獲二等獎(jiǎng)，《攪動(dòng)摩擦焊原理及應(yīng)用》被中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會(huì)評(píng)為一等獎(jiǎng)。研究方向：塑料及復(fù)合材料焊接，焊接新技術(shù)新工藝。

2014-08-14