浅析超声波塑料焊接工艺与应用

金范植

（厦门华联电子股份有限公司，福建 厦门 361006）

0 引言

超声波塑料焊接工艺属于固相焊接方法，通过高频弹性振动和在工件之间静压力的夹持作用来实现焊接件之间的连接。在用超声波塑料焊接机来进行焊接时，既不用其他的辅助的焊接添加剂，也不会消耗大量的热能，具有整体焊接操作比较简单，焊接的效率高等优势[1]。因此，随着各种塑料制品在各个领域中的大量应用，超声波塑料焊接工艺也广泛应用在塑料制品的焊接处理作业中。

1 超声波塑料焊接介绍

1.1 超声波塑料焊接的定义

超声波塑料焊接是通过超声波振动摩擦后产生热量的原理（把2个需要焊接的塑料工件放在一起压紧，其中一个工件固定住不动，另一个工件做直线往复运动，从而通过摩擦产生热量，然后把2件塑料工件的熔接线熔化、固接），在压力作用下相互摩擦后产生分子层直接熔合的一种焊接法。超声波塑料焊接可以确保焊接后非常牢靠，不仅性能得到保证，还有很好的外观效果。

1.2 超声波塑料焊接原理

当热塑性的塑料受到超声波的作用时，在接触面上会有高频率的振动，这种高频振动会生成超声能量从而造成焊接区域产生局部的高温。另外由于塑料本身的导热性能比较差，无法及时地散发高温，导致高温聚集在焊接区域，从而使接触面的位置被快速熔化，然后再通过施加外部压力作用后使它们融合在一起。当要停掉超声波时，外部压力施加的作用还要再维持数秒，确保可以充分凝固成型，从而实现焊接的目的[2]。焊接原理如图1所示，将振动产生的能量从焊头传递到工件，然后工件之间摩擦产生的热量将工件接触熔接面熔化，从而焊接成一体。

图1 超声波塑料焊接原理图

1.3 超声波焊接设备

在进行超声波焊接时要根据不同的产品类型来选择相应适合的超声波焊接设备，以下对超声波的焊接过程和设备进行介绍。

1.3.1 焊接过程介绍

首先利用超声波发生器把50Hz电流转换为15kHz～40kHz的高频电能。然后通过换能器把高频电能转换为机械能，之后再通过变幅杆装置把机械能传递到焊头。最后这些振动能量透过焊头传送到要焊接工件的接合部位，在这部位，振动所产生的能量利用摩擦生热的方式后会转换成高温热能把要焊接的塑料进行熔化。如图2所示。

图2 超声波焊接机原理图

1.3.2 设备主要部件介绍

1.3.2.1 超声波发生器

将50Hz的电能转换成15kHz～40kHz的高频电能。然后再驱动超声波换能器进行工作。

1.3.2.2 超声波换能器

将高频率的电能转换为相同频率的机械能，超声波换能器的材质一般是压电陶瓷。

1.3.2.3 超声波变幅杆

通过调整振幅杆的质量比来加大或者降低振幅，调节振幅的大小。

1.3.2.4 超声波焊接头

在一定焊接压力的作用下焊头把超声波振动传递到要焊接的塑料件上，焊头要和焊接件相匹配。

1.3.2.5 底模

在焊接时要对焊接件进行固定和支撑，用于固定和支撑的夹具就叫做底模。

1.4 超声波塑料焊接的优点

超声波塑料焊接具有独特的工艺，其优点如下。1）快速精确：绝大部分超声波塑料焊接可以在0.1s～0.5s完成。2）品质稳定：采用机械化生产，焊接产品的质量稳定可靠。3）经济实惠：不需要用大量夹具、胶合剂，减少人工，降低成本。4）美观清洁：表面成形好，不损伤不变形，无划伤及胶合剂残痕。5）工序简洁：不需要预热，不需要清洁等前后道工序。6）操作便捷：只要设置好焊接参数，操作十分便利。7）强度高、气密性好：焊缝成分与母材一样，强度高，气密性好，不漏水，不透气。8）可实现自动化焊接：15K超声波塑料焊接机非常易于实现自动化。

2 超声波塑料焊接工艺

2.1 超声波焊接工艺参数说明

超声波塑料焊接工艺的技术参数主要包括频率、振幅、焊接时间、焊接压力、保压压力和保压时间等。实际焊接作业要结合焊接件自身特性、焊接设备条件和焊接参数组合等因素来综合确定最佳的焊接条件。下面对各个焊接工艺参数分别说明。

2.1.1 焊接频率

超声波常用的频率有15kHz、20kHz、30kHz、35kHz和40kHz。其中使用20kHz的频率一般会比较容易实现我们所需要的振幅和功率。使用高频焊接具有声音小、可焊接小尺寸工件、焊接压力小和提升加工效率等优势。采用低频焊接可以大幅降低塑料中超声波的衰减，使焊接的距离更加长远。

2.1.2 振幅

振幅是指焊头的端面在焊接时在长度方向上从一个最低端到一个最高端之间的距离。在超声波塑料焊接的工艺参数中，振幅是至关重要的一项，选择恰当的振幅，超声波塑料焊接的效果可以得到明显的提高。较小的振幅会导致塑料变形不足，阻尼震荡不足，造成材料不能完全熔合，并且可能还会产生熔体碎屑，也会造成焊接的速度过慢。而振幅较高时则会导致材料的焊接温度较高。所以说振幅这个工艺参数对焊接的影响程度是最大的，在焊接区域产生的热量和振幅的平方存在关系，即使振幅稍微波动一点，其造成的影响都会很大。

2.1.3 焊接时间

焊接时间指的是施加振动的时间，要想达到良好的焊接效果，必须选择合适的焊接时间。在焊接过程中热量和时间是呈正比关系，焊接时间越长所产生的热量就越大。通过不断反复的试验来确定合适的焊接时间，在实际作业过程中焊接时间要考虑适当延长，使焊缝的强度效果达到最好。不过如果焊接时间增加过长的话也会提高产生焊缝飞边和零件压痕的可能性。过量的飞边会影响产品的外观，还要人工进行去除飞边，降低生产效率。

2.1.4 保压时间和保压压力

在超声波停止之后，为了让工件能够很好地焊接在一起，需要在一定时间范围内持续施加一定的压力，这里所需的时间和压力就是保压时间和保压压力。保压时间和保压压力对焊接强度起正面的作用，一般在合适的保压压力前提之下，保压的时间越长焊接的质量就越稳定，跟其他工艺参数相比，保压时间和保压压力对焊接接头强度的影响比较小。

2.1.5 焊接压力

合适的焊接压力是达到好的焊接效果必不可少的条件之一。如果焊接压力太小，不仅会导致产品表面磨损、焊接的噪声增大，还会导致焊接的熔体不足，熔接的强度不够。通过适当地增加焊接压力就可以大幅地提高焊接连接力，同时可以使焊接表面的磨损减少。如果焊接压力太大，就会造成焊接件之间相互移动，导致焊接熔体过多从而在产品表面溢出，而且还有可能出现焊接压力没有作用在焊接结合点位置的情况。

2.2 超声波焊接的模式

不同的超声波焊接机有不同的模式，例如有时间模式、相对深度模式、混合模式等。焊接模式的不同对焊接作业的过程和效果都有极大的影响，所以根据不同类型的焊接制品来选择相应适合的超声波焊接模式至关重要。

2.3 焊接工艺参数的优化

通过上述各项分析可知，超声波塑料焊接中的各个焊接工艺参数是相互影响和制约的。不管是改变振幅、焊接的压力、时间和模式都会对焊接的质量有直接的影响。而焊接件本身的含水率和采用的脱模剂等塑料的物理特性也会影响到焊接的性能。另外塑料焊接导能筋的结构设计和焊接工件本身的可焊性的好坏会直接影响到焊接质量。所以确定最好的工艺参数组合，要综合考虑全部因素对焊接质量的影响，而不是单独分析其中一两个因素对焊接质量的影响就可以了，先通过全面认真地分析之后，再进行针对性地调节和优化[3]。

3 超声波塑料焊接的应用

3.1 应用项目介绍

3.1.1 项目概要

电源是所有电器中都必须具备的重要部分，而且电源也是电器系统的承载最大的环节。因此电源本身的安全性要求严格，特别是对防水要求更高。针对电源板项目防水要求进行分析并确认，对满足要求的通用性的设计方案进行验证。

3.1.2 电源板防水结构组成及防水要求

3.1.2.1 防水结构组成

防水结构主要由上壳、底壳和焊接筋条3部分组成，通过焊接筋条把上壳和底壳焊接在一起后实现对电源板的防水保护。具体如图3所示。

图3 电源板防水结构组成示意图

3.1.2.2 防水要求

水深：60cm；放置时间：1h；判定基准：无任何水渗进产品内部。

3.2 防水工艺

上壳与底壳为塑胶件，因产品空间问题无法在上、下壳之间增加橡胶密封圈进行密封。经过分析确定使用超声波塑料焊接工艺，对上、下壳进行熔炉密封。

3.3 超声波塑料焊接应用方案

3.3.1 上壳与底壳超声波塑料焊接设计

超声波焊接工艺为将2种或2种以上的（同种或异种）材料通过原子或分子之间的结合和扩散形成永久性连接的工艺过程。

3.3.2 材料的选择

超声波塑料焊接对材料存在要求，需要是热塑性塑料的材料。这种材料在成型后通过加热升温作用后会软化，可进行重新加工，而且它的化学组织保持不变。热塑性塑料的树脂结构在二次加工前后都呈线性结构，在焊接加工过程中化学组织不会发生改变，同时具有可熔和可溶的特性。因此根据材料特性选择了LG化学PC+ABS 5001RFG+20%PC A9260-71材料。

3.3.3 超声波塑料焊接结构设计

针对该产品的功能需求，对焊接结构的设计主要考虑以下几点：1）必须为一个小的接触面，方便超声波能量集中传输，以达到不伤及表面且能快速焊接的效果。2）固定部分的被熔物，须有足够的支撑面，以便通过另一部分的自由振动使音波传导摩擦生热，达到熔接的效果。3）要预留足够的空间，让熔炉的材料流滞以防熔料外溢 ，而破坏产品美观。

根据上述焊接设计要素对上、下壳超声波塑料焊接机构进行了如图4所示的设计。其中A=塑件厚度；B=导能点高度；C=上壳接面配合尺寸；D=底壳（固定）接面配合尺寸；E=美工预留间隙。

图4 上壳与底壳超声波焊接设计图

3.4 超声波塑料焊接工艺

超声波塑料焊接工艺需要使用超声波塑料焊接设备及焊接工装。焊接设备存在工艺参数要求，该公司经过设计评估及实际操作最终确认工艺参数如下表3。

表3 超声波塑料焊接参数

3.5 效果测试

客户要求对每台电源板进行监控，但是如果按照实际测试，测试品无法继续使用，需要报废。因此确认使用气密性设备前要进行测试，气密封设备检测参数如下表4，增加测试稳定性及降低报废率。

表4 气密封设备检测参数

根据实际测试结果，气密性测试合格即防水测试合格。防水设计达到要求。因此这种超声波塑料焊接应用的方案可以作为通用型防水设计，可以使用在相似防水要求下的不同产品上，满足防水要求。

4 结语

超声波塑料焊接是应用非常广泛的一种塑料焊接方法。超声波塑料焊接具有环保、操作技术简单、焊接的效率高等多个优点，是各个行业大批量生产时优先选择采用的塑料焊接方法，超声波塑料焊接的重点是合适的焊接设计、合理的焊接工艺参数组合和合适的塑料件焊接物理特性。随着塑料取代金属材料的趋势越来越大，超声波塑料焊接工艺已经成为塑料制品加工工艺中非常重要的技术之一。