深入分析超声波焊接原理

一、 超声波的特性

从超声波焊接的角度，超声波具有三个非常重要的特性，这三个特性与超声波的焊接质量密切相关，是超声波焊接过程中发生的诸多现象的根源。理解这三个特性有助于理解超声波焊接的工艺要求，产品设计工程师从而可以正确的设计超声波焊接结构来满足超声波焊接的工艺要求，提高超声波的焊接质量。

超声波的三个特性、产生的焊接现象、及其对塑胶件结构设计要求如表1所示:

1) 能量大；超声波能够产生的比声波大得多的能量，这是超声波能够对塑胶件件进行焊接的基础，同时这也是超声波焊接强度较高的根本原因；正由于其产生巨大能量的能力，超声波甚至能够进行金属零件的焊接；而在另一个方面，恰恰由于能量大，超声波有可能对焊接界面造成烫伤；同时可能对塑胶件其它部位或者塑胶件上已经装配的其它零部件造成损坏。

2) 方向性好，几乎是直线传播；由于超声波的波长很短，衍射效应不显著，所以可以近似地认为超声波是沿直线传播，即传播的方向性好，容易得到定向而集中的超声波束。因此，这要求超声波焊头与焊接零件保持足够大的接触面积，保证超声波能能够传导到焊接界面。同时，如果在传播方向上存在孔洞等，超声波就难绕过孔洞传导能量，这也是超声波结构设计时需要注意的地方。

3) 衰减性；尽管超声波的穿透能力强，但超声波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减越厉害。另外，在不同的塑料中，超声波能量的衰减程度不一致。例如，在无定形塑料中，如ABS，其能量衰减程度较小，两个ABS塑胶件即使是远程焊接也能保证焊接质量；在半结晶塑料中，如PA66，超声波能量衰减程度大，超声波传播距离较短，很难保证远程焊接的质量。

超声波的三个特性、焊接现象、塑胶件结构设计要求

二、超声波焊接原理

　　随着工业生产的迅速发展，塑料以其 重量轻、比强度高、耐腐蚀、易加工等优点广泛用于国民经济和人民生活的各个领域。但是，由于加工工艺等方面的原因，很多结构复杂的产品不能一次加工成型，需要把多个零部件无缝连接到一起，大体有两种方法：粘接和焊接。一般来将，粘接工艺生产效率低并且胶粘剂都有一定的毒性，容易引起环境污染和危害生产人员健康的不良后果。所以，超声波塑焊机的塑料焊接工艺得到了越来越广泛的应用。

超声波焊接的详细步骤如图所示：

（超声波焊接的详细步骤）

第一步：两个焊接塑胶件先后被放置在焊接夹具中。

第二步：焊头下移，接触上部塑胶件。

第三步：压力通过焊头，把两个塑胶件件压紧。

第四步：焊头以15千赫兹或20千赫兹每秒的频率垂直振动，机械振动能量传导到两个塑胶件的初始接触区域，剧烈摩擦产生热能，当焊接界面的温度达到塑料的熔点后，塑料熔化并流动，振动停止，这一段时间称为熔化时间。

第五步：继续保持压力一段时间直到熔化的塑料冷却并固化，这段时间称为保压时间。

第六步：一旦熔化的塑料固化，去除压力，退回焊头，两个塑胶件熔合在一起，超声波焊接过程完成。

三、焊接工艺分析

    在实际生产过程中，并不是所有的塑料材料都可以进行焊接，能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料， 只有分子结构相同或相近的热塑性塑料才能进行焊接，在焊接面上是分子间的化学结合，所以母体材料越相近，焊接效果越好。下图是一些常见塑料焊接相容性的比较。

　　我们还需要考虑 到 影响焊接质量的因素才能得到较好的焊接效果。在进行焊接时，压力、时间、吸热量（熔融量）是确保焊接质量的三要素。

1. 超声波焊接压力

　　对焊接表面施加适当的压力，焊接材料将由弹性向塑性过渡，还可以促进了分子相互扩散并挤去焊缝中的残余空气，从而增加焊接面密封性能。

2. 超声波焊接时间

　　要有适当的热熔时间和足够的冷却时间。当热功率一定时，时间不够会出现虚焊，时间过长会造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。必须保证焊接面吸收足够的热量达到充分熔融的状态，才能保证分子间充分扩散融合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。

3. 熔融量

　　热熔时间和热功率协调调整才会的到最恰当的熔融量，保证足够的分子间融合，消除虚焊的现象。除了焊接设备和操作人员技能水平外，来之于塑料内部或外部的各种因素，对焊接质量有一定的影，应当引起重视。

4.塑料的吸湿性

　　如果焊接潮湿的塑料制品，内含的水分会在受热后化为蒸汽跑出而在焊面上出现气泡，使焊接面密封性能减弱。吸湿较为严重的材料有 PA 、 ABS 、 PMMA 等。用这些材料做的制品，焊前必须进行干燥处理。

5.塑料中的填充物

　　如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。填充物含量低于 20% 的的塑料可以正常进行焊接，不需要进行特殊的处理。填充物含量超过 30% 时，由于表面塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性。

6.焊接面的清洁

　　焊接表面必须清洁没有杂质，才能保证足够的焊接强度和气密性。

      随着工业生产的需要，超声波焊接机技术会得到更加广泛的应用，也会有技术更为先进、使用更为方便的焊接技术出现。