塑料超声波焊接技术研究

张 想 谭伟超 沈凤梅

（江门职业技术学院，江门 529030）

近年来，热塑性塑料以其优良的机械性能、光学性能、加工性能等，在机械制造、航空航天及人工智能等行业得到了广泛的应用。其因易加工、易成型等特性，在机械外观件中的应用越来越广泛，如工业用插头、插座等仪器壳体多为热塑性塑料制品。外观件，特别是室外应用的外观件，一般对防水防尘性能有一定要求，使得塑料组合件间的固接方式至关重要，而传统机械连接、胶接等固接方式难以满足塑料组合件固接高效率、高可靠的要求[1]。塑料超声波焊接技术是借助超声波使塑料件接触面的分子快速融合在一起的加热连接方法，是一种快捷、干净、有效的装配工艺，是取代传统固接方式的先进装配技术。超声波焊接不但有连接装配的功能，而且具有防潮、防水的密封效果。

1 塑料超声波焊接技术简介

超声波焊接是指利用超声波设备将低频电能转化成20～40 kHz的高频电能，电能通过换能器转化成用于超声波的机械振动能，再通过调压装置将机械能传递至超声波焊接机的焊头，常见超声波焊接机结构如图1所示。振动能量从焊头传递到塑料工件，工件之间的摩擦产生大量的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。其接合点强度接近一整块连着的材料，密封性能良好。

近年来，随着塑料及复合材料的大量应用，塑料超声波焊接以其焊接速度快、焊缝质量好、易于自动化、适合大批量生产等特点得以广泛应用[2]。但在使用超声波焊接机进行塑料焊接作业时，即使各方面准备充足，熔接效果不一致、熔接不足、熔接过度等熔接不良的现象依然经常出现。

2 塑料超声波焊接的影响参数研究

2.1 塑料材料对超声波焊接的影响

超声波焊接并不能焊接所有的塑料，这是超声波焊接最大的局限性[3]。塑料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料分子呈线型或支链型结构，经过加热软化熔融即可制成一定形状的塑件，且冷却后能够保持定型形状。这一过程可反复进行，具有可逆性。常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙）以及丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）三元共聚物（ABS）等。而热固性塑料在加热时会发生交联反应，分子主链间以化学键结合，最终成为既不熔化也不熔解的物质。由两者的特性可知，超声波焊接只适合于热塑性塑料之间的焊接，并不适合热固性塑料。此外，塑胶原料中的填充剂（碳酸钙、玻璃纤维、氢氧化铝等）和添加剂（阻燃剂、增塑剂、润滑剂等）都对超声波焊接存在很大的影响[4]。

2.2 超声波焊接机工艺参数对焊接质量的影响

对于超声波焊接机，熔接能量（Welding Energy）为功率与时间的乘积，焊接功率为压力、下降速度、频率以及振幅的乘积。由超声波的工作原理可知，超声波的实际功率并不大，工作时间短，产生的热量有限，所以一般只适用于熔点较低（400 ℃以下）的材料。根据所选塑料的特性不同，可以对超声波焊接机的工艺参数进行有效调整，从而达到理想的焊接效果。常见超声波焊接机工艺参数对焊接质量的影响见表1。

表1 超声波焊接机工艺参数对焊接质量的影响

2.3 超声波焊接面对焊接质量的影响

超声波焊接时，超声能量是瞬间爆发的，作业时不需要焊接件整体振动发热。两个焊接件面接触摩擦虽然可以由快速摩擦产生热能，但是接触面积越大，能量分散越严重，最终无法达到破坏端面材料分子结构而熔合，所以只需要选择性地在焊接的部位发热。超声波焊接时，超声波在塑料中传达到设有导能角的结合面，在此处发热而焊接。因此，超声波焊接机焊接面结构的设计，影响焊接的难易程度、焊接处外观、焊接强度及焊接后防水防潮性能等。

2.3.1 超声波焊接面结构设计注意事项

超声波能量需在焊接面处汇聚集中，以达到不伤及表面且能快速焊接的效果，所以焊接处必须是一缩小的接触面。接触面处受热熔融，因此要在设计时预留足够的空间，让熔融的材料流滞以防止熔融料外溢，破坏产品的外观。焊接过程中，焊头与焊接件接触并给予一定压力来传递能量，因此二者之间的接触面（压着面）需要有适当的平面以免伤及外观面。

2.3.2 超声波焊接面常见结构形式

超声波焊接面结构主要有导熔线和剪切两种。其中，导熔线是最常用的一种结构，相对比较稳定。导熔线是指在两个焊接面之一上形成一条三角形的凸出材料，用于聚集能量，使其可以尽快达到熔解温度，从而得到更好的焊接效果。导熔线的基本设计如图2所示。剪切型熔接时，首先熔化开始接触的小面积材料，然后沿着壁面继续垂直向下而有控制地导引到工件里，这种方式相对难以控制，应用 较少。

图2中：θ角为导能角，一般取60°～90°；h是指三角形凸起的高度，一般根据工件的大小取值，对于较小的工件h取0.3～0.4 mm，对于较大的工件h取0.5～0.6 mm。 常见的导熔线设计主要有一般型、阶梯型、沟槽型以及十字型等，如图3所示。一般型导熔线焊接件表面可能会出现溢胶，一般应用于对外观没要求的情况下；阶梯型导熔线主要用于外观需要精准对位且单边不溢胶的设计；沟槽型导熔线用于双边不溢胶缺能提供对位的功能设计，焊接后防水性能也优于前两种；十字交叉型导熔线是导熔线相互垂直交叉，可以缩短熔接时间，增加熔接强度，但容易产生段差及溢胶。

2.3.3 超声波焊接面近场设计

焊接面距离焊头接触面的位置小于6.356 mm时，称为近场熔接，大于6.356 mm的则称为远场熔接，如图4所示。超声波属于纵向传波，能量损失与距离成正比，因此设计时一般选择近场设计，尽可能避免远场熔接[5]。

3 结语

塑料超声波焊接技术具有众多优势，在我国被广泛应用于各行各业，且日渐成熟。但是，焊接过程中需要控制的参数较多，如焊接机的工艺参数的设置、焊接件材料的选择、结构的设计等都对焊接效果有重要影响，并且这些影响都不是线性的。在日常生产中，需要通过严谨的试验分析测得各种参数的焊接效果，从而得出最优解，同时提高材料的适应性，探索各类工艺参数对焊接质量影响，将超声波焊接运用在更广泛的领域。