如何分析解决超声波焊接中遇到的问题

如何分析解决超声波焊接中遇到的问题（深度好文章）

      超声波焊接是一种被广泛认可和接受的用于连接热塑性材料的工艺。它提供了许多优势，包括工艺可靠性和可重复性、比其他连接技术更低的能源使用、节省材料（因为不需要消耗品，例如胶水或机械紧固件）以及节省劳动力。

         但与任何过程一样，在某些情况下，出现明显问题会影响生产。解决和避免这些问题的关键是了解它们的原理。成功使用超声波焊接的加工通常具有两个主要特征：他们拥有经过充分证明的、经过验证的焊接工艺；这需要一个专业的经验丰富的工程师支持和维护。

超声波焊接工作过程
在检查超声波焊接问题的常见原因之前，让我们花点时间了解焊接周期本身。在超声波焊接中，通过振动超声波焊头在两个产品零件的表面施加高频振动。焊接是由于零件之间的界面处产生的摩擦热而发生的。超声波振动由一系列组件（电源、转换器、增压器和焊头）产生，这些组件将机械振动传递给零件。

如图 1 所示，电源采用标准电线电压并将其转换为工作频率。在以下示例中，我们将使用 20 kHz 的常见超声波焊接频率，但焊接可以在 15 至 40 kHz 的范围内进行以满足特殊需求。在工作中，电源以指定频率通过射频电缆向转换器发送电能。转换器利用压电陶瓷将电能转换为电源工作频率下的机械振动。这种机械振动会根据变幅杆和工具头的振幅的设计增加或减少。适当的机械振动幅度由应用工程师确定，这取决于零件中使用的热塑性材料的种类。

待焊接的零件承受机械负载，通常使用气动驱动器带动超声波振动单元。在此压力载荷下，机械振动传递到材料表面之间的界面，从而集中振动以产生分子间和表面摩擦。这种摩擦会产生热量和随后的熔化，然后凝固成焊接结合。

超声波焊接机是超声波发生器、换能器系统和程序控制（见图2）。电源采用标称 220v 的线路电压，并将其转换为高压、高频信号。它还包含超声波换能器和参数控制，以实现所需的焊接结果。气动或电动伺服操作的执行器可作为独立的台式装置或集成到自动化系统中，将超声波工具移向要连接的零件。它向材料施加所需的压力，以帮助创造焊接条件。

超声波振动单元。它通过与零件的直接接触将振动能量传递到产品表面。超声波振动单元通常由三部分组成：超声波换能器，其中包含以施加的电源信号的频率振荡的压电陶瓷晶体。当这些晶体振荡时，它们会物理膨胀和收缩，从而在换能器的输出侧产生可测量的机械运动（称为峰峰值幅度）。

第二部分是增压器或变幅杆，在其中间部分带有一个连接环，有两个功能：它作为振动系统的固定安装点，还用于放大或减少传感器中产生的输出运动。

振动系统的第三个也是最后一个组件是超声波焊头，活成超声波模具，它将接触要连接的零件。超声波模具将被设计成与塑胶产品的外轮廓相匹配，或者可以在薄膜/纺织品应用中将密封轮廓添加到其接触面。对于每种应用，焊头都设计为与换能器组件结合，以达到最佳的振幅输出水平，从而尽可能高效地进行超声波焊接。

超声波常见问题通常发生在以下四个方面之一：

1.设备：超声波焊接设备或各种焊接部件不适合应用。
2.工艺参数：使用的参数不适合被连接的零件。
3.材料：零件中使用的材料的类型、成分或物理/机械特性发生变化。
4.零件设计：零件几何形状的某些细节不适合可重复或成功的焊接。

还应该注意的是，有时在一个领域发现的问题可能会暴露另一个领域的弱点或不足。

塑料结构设计的要点

超声波振幅对焊接的影响

超声波焊接压力和触发压力对焊接的影响

让我们从设备开始。认为在一种应用中产生成功焊接的设备和方法在另一种应用中也能成功是很容易的，而且通常是合乎逻辑的。但这并非普遍适用。在世界范围内，20kHz 超声波焊接机是迄今为止使用最广泛的；由于它们的多功能性，这些焊机可以提供高功率（高达 4000 W）和高振幅输出，并且它们可以适应各种可用的工具尺寸。对于采购商来说，它们尽力选用了一些比较大功率的超声波设备，因为它有望在未来的许多应用中使用。

然而，在某些情况下——尤其是对于小而精密的部件——20kHz 设备的高功率、高振幅能力可能证明对某些组件过于“激进”，可能会导致损坏。一种可能的解决方案是降低输入幅度，但如果施加的幅度低于所焊接聚合物的推荐水平，则这将不起作用。

因此选用较高频率的设备产生较低幅度的输出，但通过以较高频率共振来进行补偿。因此，在将超声波能量应用于零件时，高频焊工被认为“更温和”。电子组件，尤其是那些带有精密定时器/振荡器、（晶振）和位于印刷电路板上的贴片电子组件，超声波不易产生破坏作用。

另一个潜在因素是设备故障。这些很少在没有发生警告的情况下发生。一个明显的例子是焊机操作时产生的噪音的变化或增加。有经验的操作员和维护人员通常会适应这种微妙的谐波波动，并应始终与主管沟通这些变化。如果发现有异常响声，请及时处理检查。

同样，较新的超声波设备允许用户执行交互式诊断功能检查，如果正确解释并与其他警告标志（如噪声）结合使用，可以在令人担忧的趋势成为主要问题之前提醒用户。电源通过先进的通信协议可以获得“焊接图结果”和“频率扫描”等数据，这些数据可以与设备新的、最近维修过的或已知性能达到标准时获得的基线数据进行比较。

有了这些信息，有经验的用户就可以集中精力进行故障排除，并确定是否需要采取其他措施或进一步监控。一旦确定了一个关注的领域，用已知的良好组件替换可疑组件是积极识别需要维修或纠正措施的焊接设备的一种方法。有用的诊断数据示例包括：

•焊接图表数据。这有助于查明好零件和可疑零件之间的差异。如图 3 所示，焊接图表上显示的数据包括幅度、电流消耗、功率、频率和相位。幅度、相位、频率和电流变化可能表明电源或堆栈存在问题。功率消耗的差异可能表明工艺变化（例如焊接压力）、零件几何形状变化（公差，尤其是在连接区域可能发生了变化）或堆栈组件问题（喇叭或转换器开始出现故障） .

•喇叭诊断扫描。这可以确定喇叭是否消耗更多功率（显示为在空气中运行所需的瓦数增加）。增加的功率消耗可能表明喇叭中正在形成裂缝。这种裂缝有时是内部的，因此肉眼并不总是可见的。

•随机数据。与已知的良好数据相比，出现混乱的数据可能表明转换器、喇叭或射频电缆中存在故障，如图 4 所示。

工艺参数和材料
仔细控制和记录工艺参数是另一个不容忽视的领域。医疗和汽车零部件生产商知道这一点并遵循严格的程序，这些程序通常由 FDA 等监管机构强制执行，从而在使用超声波焊接时取得了很大的成功。

不幸的是，其他产品（例如玩具或一次性产品）的加工商通常在不那么严格的要求下运作，并且实施的过程控制要弱得多。在此类情况下，操作员通常会根据不断变化的零件或生产条件不断调整设置。虽然这种方法可能会导致令人满意的生产，但当过程参数频繁变化时，发生的任何问题都难以诊断，尤其是远程诊断。例如，最近的参数更改是由设备问题还是零件组成或质量的变化引起的？

通常，当此类应用需要帮助时，超声波焊接应用工程师在询问有关零件的一些基本问题（材料、接头设计、测试要求和当前机器设置）后，可以指导客户找到合适的解决方案。如果可以使用生产零件直接在机器上完成故障排除，则此方法特别有用。图 5 显示了故障排除/参数调整过程的概述。

与材料相关的问题是生产中出现不一致或问题的常见原因。如以下示例中所述，即使材料的微小变化也会对焊接或生产质量产生巨大影响：

•聚合物变化。随着价格的波动，加工商出于经济原因想要在相似的聚合物之间进行转换是很常见的。但是，在进行任何更改之前咨询超声波焊接应用专家是明智之举。

一个常见但可能带来麻烦的变化的一个例子是从易于焊接的无定形材料（如 ABS）转变为更难焊接的半结晶聚合物（如 PP）。为了成功焊接，ABS需要比PP（90-120微米）更低的超声波堆栈输出（在20 kHz时为30-70微米）。如果这种变化导致零件没有以前的强度，或者焊接时间更长，或者如果焊接对敏感的装配表面/组件造成损坏，则问题可能是缺乏超声波堆栈输出。有必要检查堆栈组件，特别是喇叭和助推器，以确定对任一组件的改进是否能让
应用程序有效地焊接新聚合物并使应用程序恢复到“正常”的成功范围。

•再生料含量高。再研磨的热塑性塑料虽然能够多次熔化和重整，但在每次后续熔化时，其物理性能都会发生一定程度的退化。过多重新研磨材料的累积效应可能导致零件无法满足规格要求。因此，Branson建议在要进行超声波焊接的零件中使用的再生料不要超过10％。在需要符合严格测试和验收标准的特定应用中，生产商应强烈考虑对生产材料进行定期分析，以不断验证进入成品零件的材料质量。

•填料含量。通常，填料对于确保部件强度和耐用性至关重要。然而，零件中不同类型和百分比的填料会影响塑料连接工艺的成功。布兰森建议填料含量保持在 30% 以下。接合含有较高比例填料（尤其是长纤维）的部件有时会导致填料在焊接接头处积聚，从而降低焊接强度。

另一个问题是磨料填料。一些赋予附加强度或韧性的填料，包括碳酸钙、二氧化硅和滑石，也可能会磨损工具的接触表面。磨损零件长时间暴露于工具表面会导致磨损，从而导致零件外观损坏和向零件连接表面传递的能量不足。

建议更换为具有耐磨表面（例如碳化物或氮化钛）的钛喇叭。对于夹具，建议使用钢或硬化不锈钢。

零件配置和故障排除
如果您尝试焊接的零件设计不当，让其他一切（设备、材料和工艺）正确无误并没有多大意义。但是，与其尝试在此处查看良好零件设计的所有细节，不如让我们关注一些导致零件设计不当的基本原因：

•缺乏明确定义的项目或应用目标。当测试和验收有一个“移动目标”时，许多应用项目都会遇到困难。例如，应用程序是否需要跌落测试？压力测试？如果是这样，在什么值？这些值对于有效进行密封接头的设计至关重要。一般来说，如果设计要顺利进行，验收标准需要提前考虑和决策。

•对特定应用的最佳接头类型缺乏了解。当主要设计师可能对塑料连接工艺知之甚少，在推进项目时却发现做出了错误的决定并且零件接头和焊接特性不正确时，通常会出现次优接头设计经过考虑的。

通常，只有在已经进行了大量投资（模具完成、零件生产和初始焊接试验）之后才会得出这样的结论。再次强调，应在项目早期确定与零件和焊接相关的关键考虑因素（焊缝控制和密封类型——气密、结构或两者）。在项目的初始阶段与超声波焊接工程师合作有助于确定关键零件标准，更好地教育设计师，并有助于最大限度地减少或至少阐明可能的风险。

• 模具磨损，通常由使用磨料聚合物或填料引起，随着时间的推移，可能会导致零件在尺寸和尺寸上与早期验证的零件大不相同。因此，主要的连接特征，例如能量导向器或剪切干涉接头，不再符合规范。零件轮廓可能不再适合工具组。焊接结果可能变得越来越不一致。此问题的补救措施包括重新加工现有模具或生产新模具。

最终，超声波焊接部件的问题可能会从许多来源突然出现。一旦怀疑有问题，立即致电当地的超声波焊接设备代表可以获得诊断和补救技巧，通常通过电话或电子邮件完成，可以帮助您识别、最小化或解决潜在的生产问题。为了减少故障排除的需要，请遵循以下最佳实践：

• 在您的项目设计早期与您的超声波焊接设备供应商的应用工程专家合作（或重新设计，如果考虑到重大的材料、形式或功能变化）。

•始终保留备用的，具有生产质量的组件，特别是对于那些生产中断会引起重大运营或财务问题的关键应用程序而言。生产备件是解决连接问题的重要辅助工具，并且在供应紧张的情况下，可以将生产持续进行，同时将停机时间降至最低。

•利用培训机会，使您能够掌握您正在使用的塑料连接技术。例如，布兰森在各种公司地点和客户地点举办研讨会，提供必要的实践培训和技术援助，让您的超声波工艺“冠军”充分了解最新技术，并准备好根据您的需要培训和维护技术。设施。设计工程师、质量工程师、设备维护人员和运营/生产人员都可以从培训课程的投入中获益。

50 年来，塑料的超声波焊接一直依赖于一种简单的“按时间焊接”的过程控制方法（见图 1）。设置计时器既简单又可靠，但有很大的缺陷。特别是，它是一个没有过程反馈的开环系统。这意味着它无法对零件、电力或焊接系统功能的变化进行自我监控和自我纠正。

对产品质量和超声波在更关键应用（例如，医疗和汽车）中的使用的加强关注引起了对新一代焊接过程控制的关注。这些提供了广泛的新功能，但最受关注的是不仅可以按时间进行焊接，还可以按总能量、坍塌距离和绝对距离进行焊接的能力。

无论你的超声波机器有多么先进，拥有多少功能，首要原因就是获得更一致的焊缝。他指出，特定部件对各种焊接方法的反应不同。在汽车、医疗和其他要

求严苛的行业，使用先进的控制对于满足严格的质量要求至关重要。能够在焊接方法之间进行切换的功能有助于进行故障排除。

高级控制确实成本更高。供应商估计包含高级控制的设备的价格比具有基本定时器控制的设备高 50% 到 200%。为了保持成本一致，设备供应商与客户一对一合作，定制控制以提供适当的复杂程度。

但怀疑者怀疑先进控制的好处是否超过了额外成本。精简、基于时间的焊接控制的供应商表示，昂贵的高级控制需要训练有素的操作员，因此可以保持未使用状态，这意味着投资浪费。甚至这些控制的支持者也承认，许多处理器不知道如何利用高级控制功能。

时间控制

在按时间焊接方法中，焊头下降，接触零件，并建立触发力。国产超声波焊接机大多采用单纯时间控制模式进行控制，但具有非常高的性价比。在这一点上，超声波焊接开始并在被认为必要的指定时间内保持，以确保正确连接。预设时间过去后，超声波活动结束，并且焊头缩回。保持时间可以用类似的方式控制。

大多数超声波焊接应用中仍使用按时焊接，但它通常无法满足严格的质量和责任标准。一个问题是确定达到给定焊接强度所需的确切时间。当零件包括复杂的几何形状或由能量吸收特性难以预测的陌生材料或混合物制成时，这尤其困难。

“按时焊接忽略了零件不同的事实，”一位行业专家说，这种基本方法无法针对在多腔工具的不同腔中制造的零件的变化或零件表面状况的变化进行调整。这些和其他因素往往会破坏焊接时间和焊接完整性之间的任何相关性。作为一个开环系统，按时焊接也无法验证焊接精度或诊断问题。

幸运的是，1990 年代转向基于微处理器的控制创造了新的可能性。焊接周期不仅可以按时间设置，还可以按总能量、相对塌陷距离和绝对距离设置。这意味着第一次可以抵消或至少最小化零件差异的影响。

通过允许用户以多种焊接模式进行操作，先进的控制功能使机器（而不是零件变化）控制了获得高完整性焊接的要求。” 当使用替代闭环焊接方法时，允许实际焊接时间“浮动”。在许多应用中（通常是由于不明显的原因），事实证明，替代焊接方法在创建牢固、一致的焊缝方面比按时间焊接更好。

替代方案如何运作

按时间焊接的缺陷促使设备供应商开发替代方案，其中一种是按能量焊接（图 2）。在这种方法中，焊接进行到一定水平的总能量（焦耳）被焊接接头吸收的程度。由于能量等于功率（瓦特）乘以时间，因此控制器的作用之一是提高或降低焊接时间，以确保焊接处吸收的能量保持恒定。

然而，事实证明，在保证焊接完整性方面，将一定水平的总能量放入焊缝并不比时间好。功率输入的波动不可避免地会影响超声波焊接系统，尽管供应商已经设计了纠正装置以将其最小化。更重要的是，杜肯公司（Dukane Corp.）的研究表明，在整个焊接系统（喇叭，换能器和固定装置）上发生了大而不规则的能量损失。此外，不可能容易地校正这些变量。然而，虽然恒定能量输入和一致焊接之间的相关性是微弱的，但有时逐能量焊接是有效的。

Sonobond Ultrasonics 的副总裁 Kyle Kimbro 引用了一个医疗一次性用品成型商的例子，该公司很难将模具连接到壁厚不一致的管道上。Kimbro 说，事实证明，能量焊接在处理管材的各种变化和弯曲轮廓方面最为有效。

最近，随着能够进行高精度距离测量的设备的出现，按距离焊接方法变得可行。这些称为线性编码器，现在通常由供应商集成到他们的高级控制中。这使得距离成为许多应用中的首选方法。

在按塌陷距离进行焊接时，线性编码器记录焊头与零件之间的接触，并将其作为测量焊接距离的参考点（图 3）。设置触发力后，只要焊头行进预设距离，就会启动超声波焊接。这应该意味着无论零件如何变化，每个循环都会导致相同的焊接深度、相同的熔体体积和相同的塌陷距离。根据需要，允许焊接时间变化或“浮动”。相信这种方法产生准确且可重复的焊接完整性。

通过塌陷距离进行焊接是“首选方法”，称它本身就可以完全补偿零件的变化。他的公司围绕这种方法设计了最新的控件，称为“深度RPN”（参考点数字）控件。

最后一种主要的焊接方法是绝对距离焊接。同样，当喇叭接触零件时，这使用线性编码器来创建参考点。但是在这种情况下，焊接会继续进行，直到编码器检测到已达到完全组装零件的特定尺寸（通常是高度）为止。对于所有焊接零件，结果是相同的高度（或其他尺寸）。

价值观念的冲突

供应商对当今复杂的超声波焊接控制的评估相互矛盾。许多供应商对此充满热情，但其他人认为复杂的控制，包括那些以多种模式运行的控制，太不可靠、难以使用，而且最重要的是成本高昂，无法证明在少数高端市场之外使用它们是合理的。

“在塑料连接 22 年中，我很少看到无法使用基于时间的控制进行焊接的应用，”一位专家说。该公司是 Branson Ultrasonics 制造的 S8400 和 S8700 型焊机的独家经销商，这些焊机仅配备了按时焊接控制。

在某些情况下，高端控制是合理的，例如 OEM 需要关键或受监管（例如医疗）部件的详细 SPC 数据。但他表示，在绝大多数应用中，基于时间的控制是最佳选择。“如果您想焊接聚苯乙烯玩具、密封 PVC 翻盖或将螺纹插入件放入商用机器中，那么您无法击败 [按时间焊接] 设备，”

在他访问美国众多塑料加工车间时，他发现复杂的超声波焊接控制通常以基于时间的模式使用，而且它们昂贵的附加功能很少被利用。

他还声称，更复杂的控制装置维修成本更高，并且需要外部技术人员。这些控件的用户手册往往很复杂，通常需要对操作员进行培训才能充分利用新控件，从而进一步增加了成本。

行业专家一致认为，基本的按时焊接控制可以充分满足 80% 的潜在超声波焊接工作。

超声波焊接仍然是艺术而不是科学。他说，焊接过程的外部因素，例如材料成分，对焊接性能的影响与控制一样大。鉴于经验仍然是焊接成功的关键，恒波超声波资深工程师Mr   LI 说他公司经济高效的 自动频率控制系统可以满足80%大多数市场需求。

当然使用先进焊接控制的好处体现在更高的焊接率、更少的废品率、更低的废品率，并最终获得更好的零件质量和更快乐的客户。这也是没有任何异议的。

结论：

我们认为，传统的时间控制模式加上我公司（恒波超声波的自动频率及振幅控制系统），完全可以满足现实85%以上的情况。我们在塑料超声波焊接实际应用中有着丰富的经验，长达20年的行业工作经验，热情为你提供超声波技术咨询服务。