淺析超聲波塑料焊接工藝與應(yīng)用

金范植

（廈門(mén)華聯(lián)電子股份有限公司，福建 廈門(mén) 361006）

0 引言

超聲波塑料焊接工藝屬于固相焊接方法，通過(guò)高頻彈性振動(dòng)和在工件之間靜壓力的夾持作用來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接件之間的連接。在用超聲波塑料焊接機(jī)來(lái)進(jìn)行焊接時(shí)，既不用其他的輔助的焊接添加劑，也不會(huì)消耗大量的熱能，具有整體焊接操作比較簡(jiǎn)單，焊接的效率高等優(yōu)勢(shì)[1]。因此，隨著各種塑料制品在各個(gè)領(lǐng)域中的大量應(yīng)用，超聲波塑料焊接工藝也廣泛應(yīng)用在塑料制品的焊接處理作業(yè)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(guò)超聲波振動(dòng)摩擦后產(chǎn)生熱量的原理（把2個(gè)需要焊接的塑料工件放在一起壓緊，其中一個(gè)工件固定住不動(dòng)，另一個(gè)工件做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)摩擦產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)熱塑性的塑料受到超聲波的作用時(shí)，在接觸面上會(huì)有高頻率的振動(dòng)，這種高頻振動(dòng)會(huì)生成超聲能量從而造成焊接區(qū)域產(chǎn)生局部的高溫。另外由于塑料本身的導(dǎo)熱性能比較差，無(wú)法及時(shí)地散發(fā)高溫，導(dǎo)致高溫聚集在焊接區(qū)域，從而使接觸面的位置被快速熔化，然后再通過(guò)施加外部壓力作用后使它們?nèi)诤显谝黄?。?dāng)要停掉超聲波時(shí)，外部壓力施加的作用還要再維持?jǐn)?shù)秒，確?？梢猿浞帜坛尚?，從而實(shí)現(xiàn)焊接的目的[2]。焊接原理如圖1所示，將振動(dòng)產(chǎn)生的能量從焊頭傳遞到工件，然后工件之間摩擦產(chǎn)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(shè)備

在進(jìn)行超聲波焊接時(shí)要根據(jù)不同的產(chǎn)品類型來(lái)選擇相應(yīng)適合的超聲波焊接設(shè)備，以下對(duì)超聲波的焊接過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行介紹。

1.3.1 焊接過(guò)程介紹

首先利用超聲波發(fā)生器把50Hz電流轉(zhuǎn)換為15kHz～40kHz的高頻電能。然后通過(guò)換能器把高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，之后再通過(guò)變幅桿裝置把機(jī)械能傳遞到焊頭。最后這些振動(dòng)能量透過(guò)焊頭傳送到要焊接工件的接合部位，在這部位，振動(dòng)所產(chǎn)生的能量利用摩擦生熱的方式后會(huì)轉(zhuǎn)換成高溫?zé)崮馨岩附拥乃芰线M(jìn)行熔化。如圖2所示。

圖2 超聲波焊接機(jī)原理圖

1.3.2 設(shè)備主要部件介紹

1.3.2.1 超聲波發(fā)生器

將50Hz的電能轉(zhuǎn)換成15kHz～40kHz的高頻電能。然后再驅(qū)動(dòng)超聲波換能器進(jìn)行工作。

1.3.2.2 超聲波換能器

將高頻率的電能轉(zhuǎn)換為相同頻率的機(jī)械能，超聲波換能器的材質(zhì)一般是壓電陶瓷。

1.3.2.3 超聲波變幅桿

通過(guò)調(diào)整振幅桿的質(zhì)量比來(lái)加大或者降低振幅，調(diào)節(jié)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(dòng)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(shí)要對(duì)焊接件進(jìn)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(yōu)點(diǎn)

超聲波塑料焊接具有獨(dú)特的工藝，其優(yōu)點(diǎn)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(zhì)穩(wěn)定：采用機(jī)械化生產(chǎn)，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。3）經(jīng)濟(jì)實(shí)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(wú)劃傷及膠合劑殘痕。5）工序簡(jiǎn)潔：不需要預(yù)熱，不需要清潔等前后道工序。6）操作便捷：只要設(shè)置好焊接參數(shù)，操作十分便利。7）強(qiáng)度高、氣密性好：焊縫成分與母材一樣，強(qiáng)度高，氣密性好，不漏水，不透氣。8）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接：15K超聲波塑料焊接機(jī)非常易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2 超聲波塑料焊接工藝

2.1 超聲波焊接工藝參數(shù)說(shuō)明

超聲波塑料焊接工藝的技術(shù)參數(shù)主要包括頻率、振幅、焊接時(shí)間、焊接壓力、保壓壓力和保壓時(shí)間等。實(shí)際焊接作業(yè)要結(jié)合焊接件自身特性、焊接設(shè)備條件和焊接參數(shù)組合等因素來(lái)綜合確定最佳的焊接條件。下面對(duì)各個(gè)焊接工藝參數(shù)分別說(shuō)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(huì)比較容易實(shí)現(xiàn)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(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)遠(yuǎn)。

2.1.2 振幅

振幅是指焊頭的端面在焊接時(shí)在長(zhǎng)度方向上從一個(gè)最低端到一個(gè)最高端之間的距離。在超聲波塑料焊接的工藝參數(shù)中，振幅是至關(guān)重要的一項(xiàng)，選擇恰當(dāng)?shù)恼穹暡ㄋ芰虾附拥男Ч梢缘玫矫黠@的提高。較小的振幅會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生熔體碎屑，也會(huì)造成焊接的速度過(guò)慢。而振幅較高時(shí)則會(huì)導(dǎo)致材料的焊接溫度較高。所以說(shuō)振幅這個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊接的影響程度是最大的，在焊接區(qū)域產(chǎn)生的熱量和振幅的平方存在關(guān)系，即使振幅稍微波動(dòng)一點(diǎn)，其造成的影響都會(huì)很大。

2.1.3 焊接時(shí)間

焊接時(shí)間指的是施加振動(dòng)的時(shí)間，要想達(dá)到良好的焊接效果，必須選擇合適的焊接時(shí)間。在焊接過(guò)程中熱量和時(shí)間是呈正比關(guān)系，焊接時(shí)間越長(zhǎng)所產(chǎn)生的熱量就越大。通過(guò)不斷反復(fù)的試驗(yàn)來(lái)確定合適的焊接時(shí)間，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中焊接時(shí)間要考慮適當(dāng)延長(zhǎng)，使焊縫的強(qiáng)度效果達(dá)到最好。不過(guò)如果焊接時(shí)間增加過(guò)長(zhǎng)的話也會(huì)提高產(chǎn)生焊縫飛邊和零件壓痕的可能性。過(guò)量的飛邊會(huì)影響產(chǎn)品的外觀，還要人工進(jìn)行去除飛邊，降低生產(chǎn)效率。

2.1.4 保壓時(shí)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(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)施加一定的壓力，這里所需的時(shí)間和壓力就是保壓時(shí)間和保壓壓力。保壓時(shí)間和保壓壓力對(duì)焊接強(qiáng)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(shí)間越長(zhǎng)焊接的質(zhì)量就越穩(wěn)定，跟其他工藝參數(shù)相比，保壓時(shí)間和保壓壓力對(duì)焊接接頭強(qiáng)度的影響比較小。

2.1.5 焊接壓力

合適的焊接壓力是達(dá)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面磨損、焊接的噪聲增大，還會(huì)導(dǎo)致焊接的熔體不足，熔接的強(qiáng)度不夠。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦黾雍附訅毫涂梢源蠓靥岣吆附舆B接力，同時(shí)可以使焊接表面的磨損減少。如果焊接壓力太大，就會(huì)造成焊接件之間相互移動(dòng)，導(dǎo)致焊接熔體過(guò)多從而在產(chǎn)品表面溢出，而且還有可能出現(xiàn)焊接壓力沒(méi)有作用在焊接結(jié)合點(diǎn)位置的情況。

2.2 超聲波焊接的模式

不同的超聲波焊接機(jī)有不同的模式，例如有時(shí)間模式、相對(duì)深度模式、混合模式等。焊接模式的不同對(duì)焊接作業(yè)的過(guò)程和效果都有極大的影響，所以根據(jù)不同類型的焊接制品來(lái)選擇相應(yīng)適合的超聲波焊接模式至關(guān)重要。

2.3 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過(guò)上述各項(xiàng)分析可知，超聲波塑料焊接中的各個(gè)焊接工藝參數(shù)是相互影響和制約的。不管是改變振幅、焊接的壓力、時(shí)間和模式都會(huì)對(duì)焊接的質(zhì)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(huì)影響到焊接的性能。另外塑料焊接導(dǎo)能筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工件本身的可焊性的好壞會(huì)直接影響到焊接質(zhì)量。所以確定最好的工藝參數(shù)組合，要綜合考慮全部因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，而不是單獨(dú)分析其中一兩個(gè)因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響就可以了，先通過(guò)全面認(rèn)真地分析之后，再進(jìn)行針對(duì)性地調(diào)節(jié)和優(yōu)化[3]。

3 超聲波塑料焊接的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用項(xiàng)目介紹

3.1.1 項(xiàng)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(tǒng)的承載最大的環(huán)節(jié)。因此電源本身的安全性要求嚴(yán)格，特別是對(duì)防水要求更高。針對(duì)電源板項(xiàng)目防水要求進(jìn)行分析并確認(rèn)，對(duì)滿足要求的通用性的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1.2 電源板防水結(jié)構(gòu)組成及防水要求

3.1.2.1 防水結(jié)構(gòu)組成

防水結(jié)構(gòu)主要由上殼、底殼和焊接筋條3部分組成，通過(guò)焊接筋條把上殼和底殼焊接在一起后實(shí)現(xiàn)對(duì)電源板的防水保護(hù)。具體如圖3所示。

圖3 電源板防水結(jié)構(gòu)組成示意圖

3.1.2.2 防水要求

水深：60cm；放置時(shí)間：1h；判定基準(zhǔn)：無(wú)任何水滲進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部。

3.2 防水工藝

上殼與底殼為塑膠件，因產(chǎn)品空間問(wèn)題無(wú)法在上、下殼之間增加橡膠密封圈進(jìn)行密封。經(jīng)過(guò)分析確定使用超聲波塑料焊接工藝，對(duì)上、下殼進(jìn)行熔爐密封。

3.3 超聲波塑料焊接應(yīng)用方案

3.3.1 上殼與底殼超聲波塑料焊接設(shè)計(jì)

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(guò)原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散形成永久性連接的工藝過(guò)程。

3.3.2 材料的選擇

超聲波塑料焊接對(duì)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(guò)加熱升溫作用后會(huì)軟化，可進(jìn)行重新加工，而且它的化學(xué)組織保持不變。熱塑性塑料的樹(shù)脂結(jié)構(gòu)在二次加工前后都呈線性結(jié)構(gòu)，在焊接加工過(guò)程中化學(xué)組織不會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)具有可熔和可溶的特性。因此根據(jù)材料特性選擇了LG化學(xué)PC+ABS 5001RFG+20%PC A9260-71材料。

3.3.3 超聲波塑料焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)該產(chǎn)品的功能需求，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)：1）必須為一個(gè)小的接觸面，方便超聲波能量集中傳輸，以達(dá)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(guò)另一部分的自由振動(dòng)使音波傳導(dǎo)摩擦生熱，達(dá)到熔接的效果。3）要預(yù)留足夠的空間，讓熔爐的材料流滯以防熔料外溢 ，而破壞產(chǎn)品美觀。

根據(jù)上述焊接設(shè)計(jì)要素對(duì)上、下殼超聲波塑料焊接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了如圖4所示的設(shè)計(jì)。其中A=塑件厚度；B=導(dǎo)能點(diǎn)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(yù)留間隙。

圖4 上殼與底殼超聲波焊接設(shè)計(jì)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(shè)備及焊接工裝。焊接設(shè)備存在工藝參數(shù)要求，該公司經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)估及實(shí)際操作最終確認(rèn)工藝參數(shù)如下表3。

表3 超聲波塑料焊接參數(shù)

3.5 效果測(cè)試

客戶要求對(duì)每臺(tái)電源板進(jìn)行監(jiān)控，但是如果按照實(shí)際測(cè)試，測(cè)試品無(wú)法繼續(xù)使用，需要報(bào)廢。因此確認(rèn)使用氣密性設(shè)備前要進(jìn)行測(cè)試，氣密封設(shè)備檢測(cè)參數(shù)如下表4，增加測(cè)試穩(wěn)定性及降低報(bào)廢率。

表4 氣密封設(shè)備檢測(cè)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，氣密性測(cè)試合格即防水測(cè)試合格。防水設(shè)計(jì)達(dá)到要求。因此這種超聲波塑料焊接應(yīng)用的方案可以作為通用型防水設(shè)計(jì)，可以使用在相似防水要求下的不同產(chǎn)品上，滿足防水要求。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲波塑料焊接是應(yīng)用非常廣泛的一種塑料焊接方法。超聲波塑料焊接具有環(huán)保、操作技術(shù)簡(jiǎn)單、焊接的效率高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是各個(gè)行業(yè)大批量生產(chǎn)時(shí)優(yōu)先選擇采用的塑料焊接方法，超聲波塑料焊接的重點(diǎn)是合適的焊接設(shè)計(jì)、合理的焊接工藝參數(shù)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(shì)越來(lái)越大，超聲波塑料焊接工藝已經(jīng)成為塑料制品加工工藝中非常重要的技術(shù)之一。