塑料超声波焊接技术理论分析

塑料超声波焊接技术

　　摘要：超声波焊接是最常用的塑料焊接技术，在塑料加工业久享盛誉。由于焊接速度快、低能耗、焊缝质量一致性与再现性好，该技术是包装、汽车、医疗、电气、电子、家用器具行业大批量生产应用的首选焊接技术。本文论及超声波焊接原理及过程、焊接设备、工艺参数、特点、应用、派生方法、最新进展，着重对焊接性、接头设计进行了概括和总结。

　　 前言塑料超声波焊接技术由美国琼斯等人于1956年首次提出。60年代美国、瑞士、德国、日本、英国等国便开始研究这种焊接技术并开始投入实际应用。近几十年以来，随着塑料及复合材料大量应用于工业生产和日常生活中以及电子工业的飞速发展和新型大功率换能器的出现，塑料超声波焊接以其焊接速度快、焊缝质量好、易于自动化、适合于大批生产等优势得到了极为广泛的应用并成为最常用的塑料焊接方法。

    1．超声波焊接机原理及过程超声波焊接的基本原理是利用超声频机械振动( 频率为10到70KH z，振幅为1到250m m ) 于塑料零件，使其在压力下产生局部加热( 发热是由于表面和分子间摩擦综合作用的结果) 和熔化而形成焊缝。

　　 如图1所示，超声波焊接过程分为以下四个阶段：

　　 第一阶段焊头与零件接触，施压并开始振动。摩擦发热量熔化导能筋，熔液流入结合面。随着两零件之间距离的减少，焊接位移量( 两零件之间由于熔体流动产生的距离减小值) 开始增加。起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的导能筋铺展并接触下零件表面时放慢增速。在固态摩擦阶段，发热是由于两表面之间的摩擦能和零件中的内摩擦产生的。摩擦发热使聚合物材料升温至其熔点。发热量取决于作用频率、振幅和压力；

　　第二阶段熔化速度增加导致焊接位移量增大及两零件表面相接触。此阶段形成薄的熔化层，由于持续发热，熔化层厚度增加。此阶段的热量是由粘性耗散( vi scous di ssi pati on)产生；

　　第三阶段焊缝中溶液层厚度保持不变且伴随着恒温分布，出现稳态熔化；第四阶段在经过设定的时间或达到特定的能量、功率级或距离之后，电源切断，超声振动停止，开始

　　 进人第4阶段。压力得以保持，使部分额外熔液挤出结合面。在焊缝冷却和凝固时达到最大位移量，并发生分子间扩散。图1超，± i 波焊接过程4阶段

     2．超声波焊接设备如图2所示，超声波焊接设备由压力机、发生器、换能器、变幅杆、焊头和零件支撑工装等组成。

　　　超声波发生器超声波发生器的作用是将工频( 50或60H z)电压转变为超声频电压。微处理器经由用户界面控制焊接循环和反馈关键焊接信息给用户。用户界面也允许操作人员输入所需的焊接参数。

　　 焊接套件( w el di ng stack) ／声能系统焊接套件提供超声机械振动，一般由换能器、变幅杆、焊头三部分组成，在变幅杆中部固定在焊接压力机上。焊接套件是有点类似音叉的谐振器。焊接套件的谐振频率必须紧密匹配来自发生器的电信号的频率( 相差少于30H z) 。

　　 换能器通过逆压电效应将来自于发生器的超声频电压转化为同频率的超声机械振动。它由夹于两金属( 通常是钛) 块之间的若干压电陶瓷片组成。片与片之间有一薄金属板形成电极。在正弦电信号经由电极提供给换能器时，压电片膨胀和收缩，产生15—201xm 的轴向峰到峰运动。换能器是精密设备，应小心处理。

　　 变幅杆有两个作用。其主要作用是放大换能器端部产生的机械振动并将振动传给焊头。另一作用是提供固定套件于焊接压力机上的位置。在换能器施加超声能量时，变幅杆也膨胀和收缩。与焊接套件中的其它零件一样，变幅杆是调谐装置，因而它也必须在特定频率共振以便将超声能量从换能器传至焊头。为了有效地发挥作用，变幅杆必须是超声波在其制造材质中的半波长或半波长的整数倍。一般为半波长。

　　  焊头是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。与变幅杆一样，焊头也是调谐装置，在大部分应用中也提供机械放大，焊头的长度必须是超声波在其制造材质中的半波长或半波长的整数倍。这保证焊头端部有足够的振幅实现焊接。振幅一般为30—120um 。待焊零件和接头设计决定焊头尺寸和式样。焊头的形状至关重要，因为焊头的轴向膨胀和收缩产生的应力会在高振幅情况下造成开裂。在某些应用中，焊头加工有多个轴向狭槽。这是为了确保最大振幅位于纵向。焊头端部将超声能量传给待焊零件。端部应专门设计以匹配零件来确保焊头和零件之间实现最大能量传递。通常焊头端部做成匹配零件轮廓的型材。约75％的焊头是由钛制成，约15％由铝制成，其它焊头由H RC54—56的淬硬钢制成。钛质轻、硬度适当、韧性好、声学性能优是理想材料，常用于小焊头，钛还可涂硬质合金用于高磨损场合。但是其价格昂贵，难以机加工。铝质轻、容易加工、声学性能好、成本低，用于制作大零件焊接时的大焊头和原型焊头或需复杂加工的焊头。铝焊头由于表面硬度低、容易磨损、疲劳性能差，不适合于长期生产应用，常用于小批量应用。为防止产生压痕和减少磨损，铝必须镀镍或铬。在需耐冲击或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金属嵌件时，需用钢焊头。钢焊头疲劳强度低，只用于低振幅场合。复杂零件、特型的或大尺寸零件通常需要复合式焊头( 子母焊头) ，这时基底焊头采用铝质，钛或钢次级焊头与基底焊头相连并引导能量。

　　 压力机用于固定焊接套件及旌加焊接所需的作用力。它由固定工装夹具的底座和施加作用力的气缸组成。压力机上带有压力表和调节阀以调节焊接作用力。应该注意的是某一超声波焊接设备上设定的特定表压与另一设定同一表压的焊机提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力应该用测压仪校准以便对不同焊机之间的焊接作用力进行直接比较。压力机上也有流量控制阀可以对焊头接近待焊零件的速度进行调节。有些焊接设备采用电磁力加压系统取代传统的气缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件时是有益的。　

   支撑工装压力机底座固定焊接过程中支撑零件的工装。支撑工装是为防止下部零件在超声波作用时发生移动专门设计的，它通常加工成紧密匹配零件表面轮廓的形状。夹具从简单到复杂的都有，由零件设计来决定。下部零件必须受到牢固放置和支撑。夹具或底座应可调确保零件垂直于焊头。夹具可由若干材料加工而成。不锈钢是最佳选择，因为它容易机加工和抛光。特型夹具现在可直接经由CAD 数据加工。较大的、复杂的、奇形怪状的或小批量零件通常采用浇注型软质聚氨酯装夹。

    3．超声波焊工艺参数超声波焊接主要工艺参数有：振幅、焊接时间、保压时间、焊接压力、频率等。

　　  最佳焊接规范随待焊组件和所用的焊接设备而定。焊接参数的调节取决于零件的尺寸和刚度，尤其是焊头接触点和焊接接头之间的距离。

　　 焊接能力受到塑料传递超声振动能力( 且零件不受到损伤) 的限制。

　　 超声波常用的频率有20、30、40kH z，15kH z常用于半结晶性塑料。20kH z是最常用的超声波频率，因为这一频率熔化热塑性塑料必需的振幅和功率容易达到，但它可能产生大量难以控制的机械振动，产生较少振动的较高频率( 40kH z) 是可行的，一般用于焊接工程塑料和增强聚合物。

　　 高频率焊接设备的优点包括：噪声小、零部件尺寸小、增强零件保护( 由于减少循环应力和接头界面外部区域不加选择的加热) 、提高机械能量的控制、降低焊接压力、加快加工速度。缺点是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，难以进行远场焊接。较高频率超声波焊机通常用于焊接小型、精密零件( 如电气开关) 及材料降解需较少的零件。

　　   对于15kH z的焊机能够快速焊接大部分热塑性塑料，在大多数情况下，比20kH z焊机焊接时的材料降解少。用20kH z勉强能焊的零件( 尤其是那些由高性能工程树脂加工成的) ，用15kH z能有效地焊接。在较低频率下，焊头有较长谐振长度，在所有维度可以做得更大。采用15kH z的另一重要优点是同使用较高频率相比，大大降低了超声波在塑料中的衰减，允许焊接更软的塑料及更大的远场距离。振幅成功焊接取决于焊头端部的适当振幅。对于所有变幅杆／焊头组合，振幅是固定的。根据待焊材料选择振幅以获得适当程度的熔化。一般说来，半结晶性塑料与非结晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊头端部振幅。现代超声波焊机上的过程控制允许分阶。高振幅用于开始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅会改善剪切接头设计零件的焊缝质量。对于对接接头而言，随着振幅的增加，焊缝质量提高且焊接时间减少。在用导能筋的超声波焊接中，平均热耗率( Q avg) 取决于材料的复合损耗模量( E” ) 、频率( ( 1) ) 和作用应变( e0) ：Q 。。g=‘ 1)￡02E’ ’ ／2热塑性塑料的复合损耗模量与温度密切相关。在达到熔点或玻璃化转变温度时，损耗模量增加，更多的能量转化为热能。在加热开始后，焊接界面处的温度急升( 达1000℃／s) 。作用应变与焊头的振幅成正比，所以可以通过改变振幅来控制焊接界面的加热。

　　 振幅是一个控制热塑性塑料挤压流动速率的重要参数。高振幅时，焊接界面加热速度较高，温度上升，熔化材料流动速度较快，导致分子取向增加，产生大量飞边及焊缝强度较低。高振幅对于开始熔化是必需的。太低的振幅产生不均匀的开始熔化和过早的熔体凝固。当增加振幅时，更大量的振动能量消耗在热塑性塑料中，待焊零件承受更大应力。在整个焊接循环过程中振幅恒定时，通常采用的是对待焊零件不至于产生过量损害的最高振幅。对于结晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影响比非结晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。这可能是由于结晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以机械调节( 通过更换变幅杆或焊头)或者电气调节( 通过改变提供给换能器的电压) 。在实践中，较大振幅调节采用机械方式而微调用的是电气方式。高熔点材料、远场焊缝及半结晶性塑料通常需要比非结晶性塑料和近场焊缝更大的振幅。非结晶性塑料典型的总振幅范围是30—100肛m ，而结晶性塑料为60—125斗m 。振幅分阶(am pl i tude profi l i ng) 能够实现良好的熔体流动和一致的高焊缝强度。对于组合的振幅和力分阶，高振幅和作用力用于开始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合线的分子取向。

　　  焊接时间焊接时间是施加振动的时间。每一用途合适的焊接时间由试验确定。增加焊接时间会提高焊缝强度直至达到最佳时间为止。进一步增加焊接时间会导致焊缝强度降低或者只是稍稍增加强度，而与此同时会增加焊缝飞边和提高产生零件压痕的可能性。避免过焊是很重要的，因为会产生需修整的过量飞边，这可能降低焊缝质量，在需密封接头的零件中产生漏隙。焊头可能擦伤表面。较长焊接时间时在远离接头区域的零件部分还可能出现熔化和断裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合线和尖角处是这样。

　　  保压时间是指焊后零件在无振动压力下结合和凝固的标称时间。在大部分情况下，它并不是一个关键参数，0．3到0．5秒一般足够了，除非内载荷易于拆开焊接零件( 如焊前压缩的螺旋弹簧)。

　　 压力提供了焊头与零件耦合所需的静力，以便振动传人零件中。在焊接循环的保压阶段接头处的熔化材料凝固时，同样的静载荷确保零件连成一体。最佳压力的确定对于良好焊接是必不可少的。如果压力过低，会造成能量传递差或不足的熔体流动，导致不必要的长时间焊接循环。增加焊接压力会减少实现相同位移所需的焊接时间。如果压力过高，会造成沿流动方向的分子取向及降低焊缝强度，可能产生零件压痕。极端情况下如果相对于焊头端部振幅来说压力过高，可能会过载、使焊头停止。在超声波焊接中，高振幅需低压力，低振幅需高压力。随着振幅的增加，可接受的压力范围变窄。因此高振幅时最重要的是找到最佳压力。大多数超声波焊接是在恒压或恒力下进行的。对于某些装置，循环过程中力是可以改变的，即进行力分阶( N reel i ng) ，在超声波能量施加给零件期间焊接作用力减小。在焊接循环后期下降的焊接压力或作用力减少了从接头处的材料挤出量，延长分子间扩散时间，减低分子取向并提高焊缝强度。对于有较低熔体粘度类似聚酰胺的材料而言，这可能大大提高焊缝强度。

　　  焊接模式按时间焊接称之为开环过程。待焊零件在焊头下降和接触之前装配于工装夹具之中。然后超声波作用于组件一段固定时间，通常是0．2—1秒。这个过程并不出现成功焊接。成功焊接是在假设固定的焊接时间导致固定量的能量作用于接头，产生可控量的熔化条件下的理想情况。实际上，从一个循环到下一循环保持振幅吸收的功率并不是一样的。这是由于多个因素造成的( 如两零件之间的配合) 。因为能量随功率和时间而变化，时间固定，施加的能量从一个零件到下一零件会发生改变。对于一致性非常重要的大批量生产，这显然是不合乎要求的。按能量焊接是具反馈控制的闭环过程。超声波机器软件测量吸收的功率并调节加工时间以便向接头传递所需的能量输入。这个过程的假设是如果每道焊缝消耗的能量相同，接头处熔化材料的数量每次是相同的。然而实际情况是在焊接套件中以及尤其在焊头和零件界面处存在能量损耗。结果，某些零件可能比其它零件获得更多的能量，可能造成焊缝强度不一致。按距离焊接允许零件按特定的焊接深度连接。这种模式运作不取决于时间、吸收的能量或功率，补偿模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保证了每次在接头中熔化相同数量的塑料。为了控制质量，可以对形成焊缝所用的能量或所花的时间设定限度。