塑料超聲波焊接技術(shù)研究

張 想 譚偉超 沈鳳梅

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江門 529030）

近年來，熱塑性塑料以其優(yōu)良的機(jī)械性能、光學(xué)性能、加工性能等，在機(jī)械制造、航空航天及人工智能等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其因易加工、易成型等特性，在機(jī)械外觀件中的應(yīng)用越來越廣泛，如工業(yè)用插頭、插座等儀器殼體多為熱塑性塑料制品。外觀件，特別是室外應(yīng)用的外觀件，一般對防水防塵性能有一定要求，使得塑料組合件間的固接方式至關(guān)重要，而傳統(tǒng)機(jī)械連接、膠接等固接方式難以滿足塑料組合件固接高效率、高可靠的要求[1]。塑料超聲波焊接技術(shù)是借助超聲波使塑料件接觸面的分子快速融合在一起的加熱連接方法，是一種快捷、干凈、有效的裝配工藝，是取代傳統(tǒng)固接方式的先進(jìn)裝配技術(shù)。超聲波焊接不但有連接裝配的功能，而且具有防潮、防水的密封效果。

1 塑料超聲波焊接技術(shù)簡介

超聲波焊接是指利用超聲波設(shè)備將低頻電能轉(zhuǎn)化成20～40 kHz的高頻電能，電能通過換能器轉(zhuǎn)化成用于超聲波的機(jī)械振動能，再通過調(diào)壓裝置將機(jī)械能傳遞至超聲波焊接機(jī)的焊頭，常見超聲波焊接機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。振動能量從焊頭傳遞到塑料工件，工件之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱量將工件熔接面熔化，從而焊接成一體。其接合點強(qiáng)度接近一整塊連著的材料，密封性能良好。

近年來，隨著塑料及復(fù)合材料的大量應(yīng)用，塑料超聲波焊接以其焊接速度快、焊縫質(zhì)量好、易于自動化、適合大批量生產(chǎn)等特點得以廣泛應(yīng)用[2]。但在使用超聲波焊接機(jī)進(jìn)行塑料焊接作業(yè)時，即使各方面準(zhǔn)備充足，熔接效果不一致、熔接不足、熔接過度等熔接不良的現(xiàn)象依然經(jīng)常出現(xiàn)。

2 塑料超聲波焊接的影響參數(shù)研究

2.1 塑料材料對超聲波焊接的影響

超聲波焊接并不能焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性[3]。塑料可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料分子呈線型或支鏈型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過加熱軟化熔融即可制成一定形狀的塑件，且冷卻后能夠保持定型形狀。這一過程可反復(fù)進(jìn)行，具有可逆性。常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龍）以及丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）三元共聚物（ABS）等。而熱固性塑料在加熱時會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，分子主鏈間以化學(xué)鍵結(jié)合，最終成為既不熔化也不熔解的物質(zhì)。由兩者的特性可知，超聲波焊接只適合于熱塑性塑料之間的焊接，并不適合熱固性塑料。此外，塑膠原料中的填充劑（碳酸鈣、玻璃纖維、氫氧化鋁等）和添加劑（阻燃劑、增塑劑、潤滑劑等）都對超聲波焊接存在很大的影響[4]。

2.2 超聲波焊接機(jī)工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

對于超聲波焊接機(jī)，熔接能量（Welding Energy）為功率與時間的乘積，焊接功率為壓力、下降速度、頻率以及振幅的乘積。由超聲波的工作原理可知，超聲波的實際功率并不大，工作時間短，產(chǎn)生的熱量有限，所以一般只適用于熔點較低（400 ℃以下）的材料。根據(jù)所選塑料的特性不同，可以對超聲波焊接機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)整，從而達(dá)到理想的焊接效果。常見超聲波焊接機(jī)工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響見表1。

表1 超聲波焊接機(jī)工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

2.3 超聲波焊接面對焊接質(zhì)量的影響

超聲波焊接時，超聲能量是瞬間爆發(fā)的，作業(yè)時不需要焊接件整體振動發(fā)熱。兩個焊接件面接觸摩擦雖然可以由快速摩擦產(chǎn)生熱能，但是接觸面積越大，能量分散越嚴(yán)重，最終無法達(dá)到破壞端面材料分子結(jié)構(gòu)而熔合，所以只需要選擇性地在焊接的部位發(fā)熱。超聲波焊接時，超聲波在塑料中傳達(dá)到設(shè)有導(dǎo)能角的結(jié)合面，在此處發(fā)熱而焊接。因此，超聲波焊接機(jī)焊接面結(jié)構(gòu)的設(shè)計，影響焊接的難易程度、焊接處外觀、焊接強(qiáng)度及焊接后防水防潮性能等。

2.3.1 超聲波焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

超聲波能量需在焊接面處匯聚集中，以達(dá)到不傷及表面且能快速焊接的效果，所以焊接處必須是一縮小的接觸面。接觸面處受熱熔融，因此要在設(shè)計時預(yù)留足夠的空間，讓熔融的材料流滯以防止熔融料外溢，破壞產(chǎn)品的外觀。焊接過程中，焊頭與焊接件接觸并給予一定壓力來傳遞能量，因此二者之間的接觸面（壓著面）需要有適當(dāng)?shù)钠矫嬉悦鈧巴庥^面。

2.3.2 超聲波焊接面常見結(jié)構(gòu)形式

超聲波焊接面結(jié)構(gòu)主要有導(dǎo)熔線和剪切兩種。其中，導(dǎo)熔線是最常用的一種結(jié)構(gòu)，相對比較穩(wěn)定。導(dǎo)熔線是指在兩個焊接面之一上形成一條三角形的凸出材料，用于聚集能量，使其可以盡快達(dá)到熔解溫度，從而得到更好的焊接效果。導(dǎo)熔線的基本設(shè)計如圖2所示。剪切型熔接時，首先熔化開始接觸的小面積材料，然后沿著壁面繼續(xù)垂直向下而有控制地導(dǎo)引到工件里，這種方式相對難以控制，應(yīng)用 較少。

圖2中：θ角為導(dǎo)能角，一般取60°～90°；h是指三角形凸起的高度，一般根據(jù)工件的大小取值，對于較小的工件h取0.3～0.4 mm，對于較大的工件h取0.5～0.6 mm。 常見的導(dǎo)熔線設(shè)計主要有一般型、階梯型、溝槽型以及十字型等，如圖3所示。一般型導(dǎo)熔線焊接件表面可能會出現(xiàn)溢膠，一般應(yīng)用于對外觀沒要求的情況下；階梯型導(dǎo)熔線主要用于外觀需要精準(zhǔn)對位且單邊不溢膠的設(shè)計；溝槽型導(dǎo)熔線用于雙邊不溢膠缺能提供對位的功能設(shè)計，焊接后防水性能也優(yōu)于前兩種；十字交叉型導(dǎo)熔線是導(dǎo)熔線相互垂直交叉，可以縮短熔接時間，增加熔接強(qiáng)度，但容易產(chǎn)生段差及溢膠。

2.3.3 超聲波焊接面近場設(shè)計

焊接面距離焊頭接觸面的位置小于6.356 mm時，稱為近場熔接，大于6.356 mm的則稱為遠(yuǎn)場熔接，如圖4所示。超聲波屬于縱向傳波，能量損失與距離成正比，因此設(shè)計時一般選擇近場設(shè)計，盡可能避免遠(yuǎn)場熔接[5]。

3 結(jié)語

塑料超聲波焊接技術(shù)具有眾多優(yōu)勢，在我國被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，且日漸成熟。但是，焊接過程中需要控制的參數(shù)較多，如焊接機(jī)的工藝參數(shù)的設(shè)置、焊接件材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計等都對焊接效果有重要影響，并且這些影響都不是線性的。在日常生產(chǎn)中，需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼灧治鰷y得各種參數(shù)的焊接效果，從而得出最優(yōu)解，同時提高材料的適應(yīng)性，探索各類工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量影響，將超聲波焊接運用在更廣泛的領(lǐng)域。