塑料超声波焊接加工质量因素分析

摘要：塑料超声波焊接凭借其焊接速度快、焊缝质量高的特点而得到了广泛的应用，针对影响其焊接质量的因素，从焊接原理、焊接机设备、加工参数、焊接工艺以及塑料材料本身等几个方面进行了介绍与分析，着重剖析了焊接机设备与工艺优化对焊接质量的影响，并提出了相应的解决方法。

关键词：超声波焊接 焊接质量 影响因素分析

引言

1956年超声波焊接技术被首次提出，此后几十年超声波焊接作为一种新颖的塑料加工技术，凭借其焊接速度快、焊缝质量好、易于自动化、适合于大批生产的优势而在汽车、电子、化工、医药、机械等行业得到了极为广泛的应用[1，2，3]。随着塑料材料大量应用于工业生产和日常生活中， 对其焊接技术的要求也越来越高，这是因为实际加工中很多结构复杂的塑料产品由于其工艺限制等原因而不能一次加工成型，通常需要采用焊接的方法来将零部件无缝连接到一起，构成一个完整的塑料零件，其焊接质量的好坏直接影响到产品的质量。塑料材料焊接当前采用最多的焊接方法即是超声波焊接，如何进一步提升塑料超声波焊接的焊接质量即成为制约塑料材料应用的重要因素之一。基于此，本文详细介绍了塑料超声波焊接的原理及构成并对影响其焊接质量的因素做了详尽的分析。

1 超声波焊接原理

超声波通常是指频率在20KHz 以上的弹性机械振动，其最明显的特性是方向性好，能量高，可以定向传播。基于此特性，当超声波垂直加到待焊接的塑料表面上时， 焊接面上的质点就会因超声波激发而快速振动， 使其连续交替地受压和解压， 在界面上因强烈振动而产生摩擦， 释放出大量的热。超声波引起的摩擦分为两部分即分子间内摩擦和表面剪切摩擦，分子间内摩擦是由于塑料材料内部分子因声波激发振动而产生的，而表面剪切摩擦是由于接触面在振动过程中产生滑移引起周期性结合与分离产生的。分子间内摩擦和表面剪切摩擦的综合效应称为聚合物振动摩擦，振动摩擦使机械能转换为热能，加之塑料导热性差，热量不易散发，便在焊接处形成局部高温，使结合处的材料迅速融化，振动停止后， 熔融的塑料在一定的压力下定形并构成坚固的分子链，达到焊接的目的。[3，4]

2 超声波焊接加工质量的影响因素分析

影响塑料超声波焊接加工质量的因素大致可以分为三大类：超声波焊接机对加工质量的影响、工艺优化对加工质量的影响以及塑料材料对加工质量的影响，现分别从这3点进行说明。

2.1 超声波焊接机对焊接质量的影响

超声波焊接机主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、焊头及配套的夹具组成，焊接机的好坏是决定能否成功焊接的前提。

超声波发生器作为超声波焊接机的核心组成部分，其性能的好坏对焊接质量有着决定性的影响。超声波发生器的作用主要是用于将工频电流转变为超声波频率的振荡电流，其核心要求之一即是要求能频率自动跟踪控制，即要求其能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，以保证整机工作在谐振频率内，这是因为系统振动一旦失谐，直接将导致振幅降低，造成焊接质量不稳定甚至失败。其次超声波发生器还应具有功率自适应功能，能在工作中根据负载的变化来调节输出的功率，以实现焊接机的高效率与高稳定性[5]。

换能器是用来将发生器产生的高频电能转换为弹性机械能的装置，是超声波声学系统的关键部件之一，其原理是利用单晶体材料的逆压电效应将输入的电功率转换为机械功率。换能器与超声波发生器之间的匹配是保证焊接质量的要点，必须保证两者之间的谐振，否则易导致换能器发热、温度过高、易损坏，同时也可能导致发生器电源的损坏。

超声波的原始振幅一般很小，通常只有几微米，而实际加工应用中所需要的振幅在几十到几百微米左右，所以通常需要通过变幅杆将其振幅放大，并且变幅杆还可以起到机械阻抗的作用，在换能器与负载之间进行阻抗匹配，使超声波能量更有效地从换能器向待焊接面传递。对变幅杆的主要要求是在工作频率内材料损耗小，传递效率高，同时其疲劳强度要高而声阻要小，以获得较大的振动速度和振幅位移。

超声波焊头是超声波能量传递的最后一个环节，它将超声波产生的高频振动传递到待焊接的表面上，因其要传递超声波，所以焊头一定要工作在谐振状态下，即焊头的固有谐振频率要与换能器匹配，其次还要求其振幅均匀，焊头端面形状适应被焊接工件的形状。

超声波焊接夹具主要起定位和承载的作用，夹具的加工精度对焊接产品的形状和精度有直接的影响，夹具与焊接产品的角度和弧度不吻合时易造成产品焊接后尺寸偏差甚至发生变形。夹具按照焊接产品仿形加工完后还需要微调其固有频率，使其频率与超声波焊接机吻合，以达到最佳的焊接效果[6]。

2.2 工艺优化对焊接质量的影响

塑料超声波焊接的工艺优化主要包括加工参数优化与焊接工艺优化。

工艺参数优化，适宜的加工参数是保证超声波焊接质量的关键条件之一，超声波焊接主要的可调参数有频率、振幅、焊接压力、焊接时间及保压时间。

常用的超声波频率范围有15、20、30及40KHz，针对不同的焊接材料特性所需的频率也各不相同，例如对于薄壁件焊接则宜采用较大的振动频率，这是因为在功率一定的情况下，提高频率可以降低振幅，从而可以降低薄壁件因交变应力而产生的疲劳破坏；而对于较厚的焊件，则宜采用较低的振动频率，这是由于振动频率对焊点的剪切强度有影响，材料越厚、越硬，其影响越大，因而较高的振动频率反而不易焊接成形。对于同一种焊接材料，随着焊接频率的提高，其所需的振动速率与振幅均变小，焊接面温升变快，焊接强度变大，但其传递损耗也变大。

振幅的大小直接影响到塑料材料的熔化程度，对于需要焊接的材料来说是一个关键参数。振幅的选用与被焊接材料的性质和厚度有关，其范围一般在5～25μm，振幅选用太小易产生不均匀的初始熔化及过早的熔体凝固，而振幅太大时又易使焊接面加热速度过快，导致熔化材料流动速度较快而产生大量的飞边并降低焊接强度[1]。在适宜的振幅范围内，增加振幅有利于超声波能量的扩散，缩短焊接时间，提高焊接效率，同时也能提高焊接接头的强度。

焊接压力有两个作用，一是提供焊头与零件间耦合所需的静压力，以便超声波传能量传递到焊接面，二则是在振动结束后提供必要的保持压力以确保接头处材料凝固，使零件连成一体。焊接压力过低时，超声波几乎不能被传递到焊接面上，大多数能量都损耗在焊头与零件之间，造成塑料材料熔融不充分，从而导致需要更多的焊接时间；而如果焊接压力过大，则会增加所需要的功率，造成熔体过流，导致熔融层材料严重挤出，减少熔融层厚度，降低焊缝强度，同时也会产生零件压痕，极端情况下还可能造成过载使焊头停止工作。在其他焊接条件不变的情况下，适当提高焊接压力可以在保证焊接强度的前提下缩短焊接时间，这是因为较高的焊接压力更易在较低温度下产生塑性变形，同时也能在较短的时间内达到最高温度。

焊接时间对接头质量影响很大，焊接时间过短会导致焊不上或焊缝强度不够，而焊接时间过长则会导致塑料熔融过剩，焊线以外的材料熔化且易产生压痕降低焊接质量。对于不同的焊接压力，达到所需焊接强度的时间各不相同，增大焊接压力可以在一定条件下缩短焊接时间。

保压时间即是指振动停止后零件在一定压力下凝固和结合的时间，在大部分情况下，其并不是一个关键的参数，一般取0.3-0.5s即可[1]。

上述各参数是相互影响、相互关联的，通常需要综合调节各参数以达到最佳的焊接质量，例如针对焊接加工中焊缝挤出的问题，这通常是因为焊接振幅过大、焊接时间过长而使振动产生的热量超出熔融焊线所需的热量，导致焊线以外的材料熔化而从焊缝中挤出。当出现这种现象时，应适当降低焊接振幅与焊接时间，保证材料不被过多的熔化，其次也要降低焊接压力，避免材料挤出量过大。

焊接工艺优化主要是指焊接焊线的优化设计，焊接线的设计是影响产品焊接精度的一个重要因素，焊线设计不合理易使产品在焊接过程中因受力不均而发生滑移，造成焊接产品偏位或尺寸偏差。依据不同的焊接接口以及焊接材料特性，应选用不同的焊接线形式。超声波焊接中常使用的焊接线结构类型有三角形焊线、围边式焊线、峰谷式焊线和台阶式焊线，实际加工中可以根据需要进行优化选取[6]。

2.3 塑料材料对焊接质量的影响

塑料材料对焊接质量的影响主要分为塑料材料的可焊性与塑料材料表面状态对焊接质量的影响。

塑料材料的可焊性可以用公式G = K・E・λ・μ/ρ・C・t （ W/m2・K）来表征。

其中：

G――塑料材料的可焊性；K――焊件形状因子，取决于焊件的壁厚、尺寸大小及焊头的形状尺寸；E――塑料的弹性模量（ GN/m2 ）；λ――导热系数（ W/m・K）；μ――塑料的摩擦系数；ρ――塑料的密度（ kg / m3 ）；C――比热（J /kg・K）；t - 熔点（ K）。

从上式可以看出塑料材料的可焊性与其弹性模量、导热系数、摩擦系数成正比，而与其密度、比热容及熔点成反比。

正确选用塑料材料是保证焊接质量的首要条件，一些常见的各种同种塑料和异种塑料的可焊性分析表格在文献[1]中已有详细的介绍，这里就不再赘述。

塑料材料的表面状态则包括了材料的表面粗糙度，焊接搭接宽度及导能筋等对焊接质量的影响。塑料材料表面粗糙度越大越有利于降低声阻，提高表面能流密度，进而提高焊接质量。焊接搭接面越宽，其焊接接头强度越低，这是因为搭接宽度越大，焊接接头边缘应力集中越大，越易出现微裂纹，从而降低接头强度[6]。导能筋通常是一个铸在零件配合面的小三角形隆起，用于将焊接初始接触限制在一个非常小的区域内从而将超声波能量集中在三角形顶部，其次它还可以为熔融的塑料在温度和压力共同作用下铺展提供空间，避免应力集中，从而实现精密焊接，其三角形顶部角度是一个关键参数，常用的角度通常为90°或60°。

结语

塑料超声波焊接技术凭借其焊接速度快、焊缝强度高、焊缝质量好的优点而越来越受到广泛的应用，其应用前景也必将随着塑料材料的进一步推广使用而不断扩大，与此同时对其焊接质量的要求也必将越来越高。塑料超声波焊接焊接机理复杂，受到众多因素的影响，这包括焊接机设备、焊接工艺参数、焊接工艺及塑料材料特性等多个方面，理解并弄清上述各因素对焊接质量的影响是进行成功焊接的前提。

参考文献

1. 张胜玉. 塑料超声波焊接技术（上）[J]. 橡塑技术与装备， 2015（08）：50-54.

2. 冉茂杰. 热塑性塑料的超声波焊接[J]. 工程塑料应用， 1986（04）：36-36.

3. 陶永亮. 塑料焊接加工几种方法[J]. 塑料制造， 2011（12）：75-79.

4. 陈振伟. 超声波发生器的研究[D]. 浙江大学电气工程学院 浙江大学， 2007.

5. 王叶， 陈斌. 超声波焊接原理及其工艺研究[J]. 科技创业家， 2013（07）.

6. 陈源， 丁斌. 贯流风叶超声波焊接机的工艺优化[J]. 中国包装工业， 2015（Z1）：101-102.

基金项目

家电送风系统设计及制造的数字化、智能化技术研究与应用项目（2013CXTD01）；贯流风扇叶超声波焊接机器人研发及柔性生产线示范（2013AH100013）。

作者简介

黄禹（1972-），男，湖北武汉人，教授，博士生导师，主要研究方向：数字化制造装备。

通讯作者：徐中（1992-），男，硕士，主要研究方向：机电一体化。