超声波焊接工作原理

超声波焊接利用高频超声波能量(15-50 khz)产生低振幅(1-100μm)机械振动。这种振动传递到部件连接接头处，产生热量，导致热塑性材料熔化，冷却后形成焊缝。超声波焊接是目前已知的最快的焊接技术，焊接时间通常在0.1秒到1.0秒之间。超声波振动在热塑性塑料中产生正弦驻波。部分能量因为分子间摩擦而消散，导致材料温度升高。另一部分被传送到接头处，因边界摩擦产生局部加热。因此，超声波能量的最佳传输路径以及后续接头材料熔化行为，取决于零件的几何形状和材料的超声波吸收特性。振源越靠近焊缝接头，因为材料吸收损失的能量就越小。当振源到接头的距离小于6.4mm时，该过程被称为近场焊接。适用于具有高能量吸收特性的结晶材料和低刚度的材料。当振源到接头距离大于6.4mm时，该过程被称为远场焊接。适用于具有低能量吸收特性的无定形材料和高刚度材料。在接头表面容易产生高温，是因为接头表面“凹凸不平”，比材料本体更容易产生更大的应变和更大的摩檫力。对于许多超声波焊接应用中，在上零件表面有一个三角形凸起，被称为导能筋，该特征有助于在接头处聚集振动能量。

在焊接过程中，超声波振动垂直于接头表面。导能筋上尖点在压力下与被焊接零件接触。在尖点上产生大量的热，导能筋开始熔化。焊接过程可分为4个阶段。第一阶段，导能筋顶部熔化，熔化速度加快，随着接头两侧间隙减少，熔融的导能筋完全铺展并接触下方零件，此时导能筋的熔化速度降低。第二阶段，上下两零件面面接触，熔化区域加大。第三阶段，稳态熔化阶段，形成具有一定厚度的熔融层，也伴随产生恒定的温度场。当过程达到设定的焊接能量，或时间，或距离或其它控制条件时，超声波停止。第四阶段，继续保持压力，一些过量的熔体被挤压出焊缝，零件之间形成分子键连接并冷却。

超声波焊接的优点和缺点

超声波焊接是目前工业中使用最为广泛的塑料连接技术，具有快速，经济，易于集成自动化，非常适合大批量生产作业，生产节拍可高达每分钟60件。焊缝稳定性好，强度高。焊接时间比其它焊接工艺都短，不需要复杂的通风系统来排除烟雾，以及冷却系统排除多余热量。能量利用率高。与其它塑料焊接工艺相比，生产效率更高，成本更低。模具设计相对简单，可实现快速换模，增加了设备的利用率和通用性。因为焊缝中不引入其它辅助焊接材料，所以焊缝干净无杂质，不影响设备的生物相容性，也广泛使用在要求更高的医疗保健行业。超声波焊接的局限性。当产品尺寸超过250mmX300mm，焊头设计困难，无法一次焊接完成。往往要采用多个焊头同步焊接，或者单个焊头多次焊接完成。超声波焊接结果的好坏，与焊缝结构设计、注塑件尺寸误差和变形有很大关系。超声波振动容易对敏感电子部件造成损伤，尽管采用更高频率和降低振幅能够减少这类损伤。

应用领域

超声波焊接几乎适用于所有主要行业。汽车：前灯、仪表盘、按钮和开关、燃料滤清器、液体容器、安全带锁扣、电子钥匙锁、灯组件、风管。电子和电器：开关、传感器、执行器等。医学：过滤器、导管、医用服装、口罩。包装：水泡袋、袋子、储存容器、管嘴。以下是一些应用案例和焊缝设计。

咖啡杯，材料PS，采用沟槽+导能筋焊缝设计。

电子开关，材料ABS，采用超声波铆接。

反光镜，材料ABS+PC，采用台阶+导能筋焊缝设计。

电子灯，材料ABS+PMMA，采用平面+导能筋焊缝设计。

电气连接器，材料ABS+金属，采用超声铆接。

医疗瓶，材料PC，采用平面+导能筋焊缝设计。

燃油滤瓶，材料尼龙6-6，采用剪切缝焊缝设计。

过滤膜/吸音棉装配，材料尼龙+30%玻纤，采用刺穿焊接。

电器盒，材料PS+铜螺母，采用超声波镶嵌工艺。

转子，材料PS，采用平面+导能筋焊缝设计。

材料选择

聚合物结构

无定形塑料(Amorphous plastics)分子结构随机分布，无固定的排列方向，具有在较宽的温度范围内逐渐软化的特点。这类材料达到玻璃态转变温度Tg时，材料逐渐软化，然后再进入液体熔融状态。材料由液态进入固化时，也是逐渐过渡的。无定形材料能有效传递超声波振动，且因为软化温度范围较宽，所以更容易焊接，也更容易实现密封性。 半结晶塑料（Semicrystalline plastics）的分子结构有序排列。需要高热量才能打断其有序排列。熔点(Tm)很尖锐，只要温度稍微下降，液态就会迅速发生固化。因此，从热熔区域流出的熔体会迅速凝固。当处于固态时，半结晶材料分子特性像弹簧，会吸收很大一部分超声波振动，而不是将振动传递给接头区域。因此对于半结晶材料，需要采用高幅值输出的焊头，以产生足够的热量。

Tg玻璃态转变温度，Tm熔化温度。

上图左侧是无定形塑料，右侧是半结晶塑料。

填充剂

热塑性塑料中的填充剂（玻璃纤维、滑石粉、矿物质）可以增强或抑制超声波焊接。材料如碳酸钙、高岭土、滑石粉、氧化铝，有机纤维、二氧化硅、 玻璃球、偏硅酸钙(硅灰石)和云母能够提高树脂的硬度。研究表面，当填充剂含量20%时，能有效增强超声波振动在材料中的传输效率，尤其对半结晶材料效果显著。当填充剂含量达35%时，焊缝处可能因树脂含量不足影响密封可靠性。当填充剂含量达到40%时，玻璃纤维会聚集在接头位置，焊缝处会因为剩余的树脂含量不足影响其焊接强度。在注塑时，长玻璃纤维更容易堆积在导能筋上。一个解决该问题的方法，用短玻纤纤维代替长玻璃纤维。当填充剂含量超过10%时，材料中的磨料颗粒会导致焊头磨损。因此，建议使用硬质合金钢焊头，或者表面有碳化钨涂层的钛合金焊头。可能还需要选择更高功率的超声波设备，以便在接头处产生足够的热量。

添加剂

虽然添加剂可以改善材料的整体性能或注塑成形特性，但往往抑制了超声波焊接。典型的添加剂有润滑剂、增塑剂、冲击改性剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂和重新研磨使用的树脂。润滑剂（如蜡、硬脂酸锌、硬脂酸、脂肪酸酯）降低聚合物分子间的摩擦系数，也会减少热量的产生。然而因为润滑剂浓度很低且分散，所以这种影响在接头处通常是很小的。增塑剂，高温有机液体或者低温熔融固体增加了材料的柔软性，降低了材料刚度。它们降低了聚合物内部分子间的吸引力，干扰了振动能量的传递。高塑化材料如乙烯基，是非常差的超声波振动传递材料。增塑剂被认为是内部添加剂，但随着时间的推移会迁移到塑料表面，从而使得超声波焊接几乎无法实现。冲击改性剂，如橡胶降低了材料传递超声波振动的能力，因此需要更大的振幅来熔化塑料。材料中添加的阻燃剂、无机氧化物或卤化有机元素（如铝、锑、硼、氯、溴、硫、氮或磷），能够抑制火点或改变材料的燃烧特性。在大多数情况下，它们是不可以焊接的。阻燃剂可占材料总重量的50%或以上，大大减少了可焊接材料的含量。对于此类材料焊接，必须选择高功率设备和大振幅焊头，以及修改接头设计增加接头区域可焊接材料的含量。大多数着色剂（颜料或染料）不会抑制超声波振动的传递。但是它们会减少接头区域可焊材料的含量。二氧化钛(TiO2)，用于白色颜料，是无机物且具有化学惰性。但其含量超过5%时，可以起到润滑剂的作用，从而抑制超声波焊接。炭黑也会干扰超声波能量在材料中的传递。发泡剂降低了材料传递超声波振动的能力。因为材料的低密度，以及分子结构中的大量孔隙，干扰了能量的传递。当材料中加入研磨树脂时（回料），应仔细评估并控制其含量和体积，以达到最佳的焊接效果。在某些情况下，可能需要100%的原始材料，不允许回料的使用。

脱模剂

脱模剂（硬脂酸锌、硬脂酸铝、氟碳化合物、硅酮）喷涂在模具型腔表面，方便注塑件取出。脱模剂可以转移到接头表面，降低材料的摩擦系数，从而减少热量的产生，抑制超声波焊接。此外，脱模剂对树脂会造成化学污染，即抑制适当化学键的形成。其中硅酮影响最为有害。脱模剂有时可以用溶剂去除。如果必须要使用脱模剂，那么选择适合的等级，防止脱模剂转移到零件表面。

材料等级

相同材料的不同等级可能具有不同的熔化温度和流动指数。甚至一种等级可以融化和流动，而另一种等级却无法焊接。例如，PMMA的铸造等级具有较高的分子量和熔化温度，比注射/挤压等级的PMMA更脆。因此它们更难焊接。一般来说，要求焊接的两种材料要有相近的流动指数（流动指数与分子量相关），且熔化温度相差在22℃内。为了达到最佳焊接效果，应该选择相同等级的材料进行焊接。

含水量

材料的含水量会影响焊接强度。吸水材料如PBT、PC、PSU，特别是尼龙更容易从空气中吸收水分。焊接时，吸收的水分会在100°C沸腾，被困的气体会在焊缝中产生孔隙并会降解塑料，从而产生不良外观、较差的焊接强度，以及难以密封。为了保证焊接效果，吸水性材料应在注塑完成后立即焊接。如果无法实现，那么需要将干燥的零件保存在干燥PE袋中。也可以在焊接前，将零件放置烘烤箱内，在80℃温度下烘烤3小时。

不同种材料

在焊接不同材料时，两种材料的熔化温差不应超过22°C(40°F)，且两种材料的分子结构应相似。若熔化温度相差较大，低熔点的材料会先熔化和流动，无法继续产生足够的热量来熔化高熔点的材料。例如，如果一个高熔点PMMA要焊接到一个低熔点的PMMA上，导能筋位于高熔点PMMA上，那么低熔点材料接头先熔化并流动，继而导能筋软化，容易形成较差的焊接强度（也称为虚焊，材料之间未形成分子键连接）。只有具有化学相容性（即具有相似分子结构）的材料才能焊接。材料相容性只存在于无定形材料之间。例如ABS与PMMA，PC和PMMA，PS和改良的PPO。半结晶塑料PP和PE具有相似的物理特性，但是不具有材料相容性而无法焊接。下表列出了用于超声波焊接的热塑性塑料的材料相容性。