深入分析超聲波焊接原理

一、 超聲波的特性

從超聲波焊接的角度，超聲波具有三個非常重要的特性，這三個特性與超聲波的焊接質量密切相關，是超聲波焊接過程中發(fā)生的諸多現象的根源。理解這三個特性有助于理解超聲波焊接的工藝要求，產品設計工程師從而可以正確的設計超聲波焊接結構來滿足超聲波焊接的工藝要求，提高超聲波的焊接質量。

超聲波的三個特性、產生的焊接現象、及其對塑膠件結構設計要求如表1所示:

1) 能量大；超聲波能夠產生的比聲波大得多的能量，這是超聲波能夠對塑膠件件進行焊接的基礎，同時這也是超聲波焊接強度較高的根本原因；正由于其產生巨大能量的能力，超聲波甚至能夠進行金屬零件的焊接；而在另一個方面，恰恰由于能量大，超聲波有可能對焊接界面造成燙傷；同時可能對塑膠件其它部位或者塑膠件上已經裝配的其它零部件造成損壞。

2) 方向性好，幾乎是直線傳播；由于超聲波的波長很短，衍射效應不顯著，所以可以近似地認為超聲波是沿直線傳播，即傳播的方向性好，容易得到定向而集中的超聲波束。因此，這要求超聲波焊頭與焊接零件保持足夠大的接觸面積，保證超聲波能能夠傳導到焊接界面。同時，如果在傳播方向上存在孔洞等，超聲波就難繞過孔洞傳導能量，這也是超聲波結構設計時需要注意的地方。

3) 衰減性；盡管超聲波的穿透能力強，但超聲波在物體里傳播始終都存在著衰減，傳播的距離越遠，能量衰減越厲害。另外，在不同的塑料中，超聲波能量的衰減程度不一致。例如，在無定形塑料中，如ABS，其能量衰減程度較小，兩個ABS塑膠件即使是遠程焊接也能保證焊接質量；在半結晶塑料中，如PA66，超聲波能量衰減程度大，超聲波傳播距離較短，很難保證遠程焊接的質量。

超聲波的三個特性、焊接現象、塑膠件結構設計要求

二、超聲波焊接原理

　　隨著工業(yè)生產的迅速發(fā)展，塑料以其 重量輕、比強度高、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點廣泛用于國民經濟和人民生活的各個領域。但是，由于加工工藝等方面的原因，很多結構復雜的產品不能一次加工成型，需要把多個零部件無縫連接到一起，大體有兩種方法：粘接和焊接。一般來將，粘接工藝生產效率低并且膠粘劑都有一定的毒性，容易引起環(huán)境污染和危害生產人員健康的不良后果。所以，超聲波塑焊機的塑料焊接工藝得到了越來越廣泛的應用。

超聲波焊接的詳細步驟如圖所示：

（超聲波焊接的詳細步驟）

第一步：兩個焊接塑膠件先后被放置在焊接夾具中。

第二步：焊頭下移，接觸上部塑膠件。

第三步：壓力通過焊頭，把兩個塑膠件件壓緊。

第四步：焊頭以15千赫茲或20千赫茲每秒的頻率垂直振動，機械振動能量傳導到兩個塑膠件的初始接觸區(qū)域，劇烈摩擦產生熱能，當焊接界面的溫度達到塑料的熔點后，塑料熔化并流動，振動停止，這一段時間稱為熔化時間。

第五步：繼續(xù)保持壓力一段時間直到熔化的塑料冷卻并固化，這段時間稱為保壓時間。

第六步：一旦熔化的塑料固化，去除壓力，退回焊頭，兩個塑膠件熔合在一起，超聲波焊接過程完成。

三、焊接工藝分析

    在實際生產過程中，并不是所有的塑料材料都可以進行焊接，能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料， 只有分子結構相同或相近的熱塑性塑料才能進行焊接，在焊接面上是分子間的化學結合，所以母體材料越相近，焊接效果越好。下圖是一些常見塑料焊接相容性的比較。

　　我們還需要考慮 到 影響焊接質量的因素才能得到較好的焊接效果。在進行焊接時，壓力、時間、吸熱量（熔融量）是確保焊接質量的三要素。

1. 超聲波焊接壓力

　　對焊接表面施加適當的壓力，焊接材料將由彈性向塑性過渡，還可以促進了分子相互擴散并擠去焊縫中的殘余空氣，從而增加焊接面密封性能。

2. 超聲波焊接時間

　　要有適當的熱熔時間和足夠的冷卻時間。當熱功率一定時，時間不夠會出現虛焊，時間過長會造成焊件變形，熔渣溢出，有時還會在非焊接部位出現熱斑（變色）。必須保證焊接面吸收足夠的熱量達到充分熔融的狀態(tài)，才能保證分子間充分擴散融合，同時必須保證足夠的冷卻時間使焊縫達到足夠的強度。

3. 熔融量

　　熱熔時間和熱功率協調調整才會的到最恰當的熔融量，保證足夠的分子間融合，消除虛焊的現象。除了焊接設備和操作人員技能水平外，來之于塑料內部或外部的各種因素，對焊接質量有一定的影，應當引起重視。

4.塑料的吸濕性

　　如果焊接潮濕的塑料制品，內含的水分會在受熱后化為蒸汽跑出而在焊面上出現氣泡，使焊接面密封性能減弱。吸濕較為嚴重的材料有 PA 、 ABS 、 PMMA 等。用這些材料做的制品，焊前必須進行干燥處理。

5.塑料中的填充物

　　如玻璃纖維、滑石粉、云母等，它們改變了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接質量有很大的關系。填充物含量低于 20% 的的塑料可以正常進行焊接，不需要進行特殊的處理。填充物含量超過 30% 時，由于表面塑料比例不足，分子間融合的不夠，會降低密封性。

6.焊接面的清潔

　　焊接表面必須清潔沒有雜質，才能保證足夠的焊接強度和氣密性。

      隨著工業(yè)生產的需要，超聲波焊接機技術會得到更加廣泛的應用，也會有技術更為先進、使用更為方便的焊接技術出現。