钟国安 沈凤梅

摘 要：近年来，超声波焊接工艺以焊接速度快、能耗低、焊缝一致性好等优点，在塑胶产品的焊接上得到了广泛的应用。[1]随着塑胶原料改性技术的快速发展，塑胶原料的品种繁多，影响其超声波焊接的因素也变得越来越多。本文针对塑胶超声波焊接工艺的影响因素，从超声波焊接设备、塑胶材料焊接特性和塑胶零件结构设计等方面进行了具体阐述。

关键词：超声波；焊接工艺；塑胶原料；结构设计；影响因素

中图分类号：T 文献标识码：A

1 超声波焊接设备

超声波焊接设备由超声波发生器，换能器，变幅杆，压力系统，焊头，零件工装夹具等组成。基于目前的技术水平，超声波发生器最大功率为5.6KW，塑胶零件焊接面积约为200mm（长）×200mm（宽）。塑胶零件越大，需要焊接的面积和周长就越大。过大的焊接面积往往导致超声波功率不足，影响焊接性能，如何提升焊接功率是关键因素。研究发现，可以通过采用多个超声波发生器来增加超声波功率，常见的有双头超声波焊接设备，上下振动式超声波焊接设备等，如下图所示。

但这两种形式的超声波设备对夹紧零件的工装夹具定位要求高，特别是双头机型，两个焊头独立定位装配，与零件定位不容易匹配。外形复杂的塑胶零件，需要慎重考虑这种形式的超声波设备，因为它对焊头与定位夹具的平行度要求更高。

2 塑胶材料焊接特性对焊接的影响分析

塑胶材料的物理性能和机械性能决定了塑胶零件的超声波焊接可行性和焊接质量。实践证明，塑胶材料的超声波焊接性G与弹性模量E（GN/m2）、导热系数λ（W/mK）、摩擦系数μ成正比，与密度ρ（kg/m3）、比热容C（J/kgK）、熔点t（K）成反比，如公式（1）。

G=K·E·λ·μ/（ρ·C·t）（1）

K表示塑胶材料焊接系数，取决于塑胶零件外形大小，壁厚，焊头设计等参数。对于焊接强度性能要求高的产品，需要谨慎考虑塑胶材料，尽量从塑胶材料物性表上筛选具有良好焊接性能的材料，以提高产品焊接质量及合格率。

3 塑胶原料的成分对焊接的影响分析

塑胶原料主要成分由树脂、填充料（碳酸钙，玻璃，氢氧化铝等，玻璃纤维，云母等）和添加剂（阻燃剂，增塑剂，润滑剂，抗冲击剂，发泡剂，光扩散剂，着色剂）[2]等组成。塑胶原料生产厂家为了满足不同的产品性能，需要针对某些特殊要求进行改性处理。改性塑胶提升了塑胶原料的特定性能，而对超声波焊接工艺也存在很大的影响。

填充料在塑胶组成成分中占据比例较大。通常填充料都是无机化学物，不会改变塑胶分子的排布结构。填充材料刚性大有利于超声波振动能量的传递，在焊接面产生更大的摩擦和热量；相反，刚性不足的填充料会抑制振动能量的传递，超声波工艺需要更大的功率和振幅才能达到良好焊接效果。填充料比例过大时，焊缝的熔融树脂就相对减少，焊接强度及密封可靠性就就降低。聚丙烯和聚丙烯+15%碳酸钙于相同的超声波工艺条件下焊接，进行拉伸强度测试，数据如下表，聚丙烯加入碳酸钙填料明显提升了焊接强度。Liu SJ和Chang IT对PA66+GF15%和PA66+GF35%进行了超声波焊接研究，发现玻纤含量增加延迟焊接时间，工件焊接强度明显增加。[3]

添加剂在塑胶原料组成成分中占据比例较少，但添加剂对塑胶原料的改性性能起到非常重要在作用。增塑剂、润滑剂、抗冲击剂和发泡剂主要是增加塑胶零件成型时的柔软性能和成型性，致使材料硬度和刚性降低，大大抑制塑料分子摩擦发热并吸收了超声波振动能量的传递。因而在这些柔性的添加剂作用下，往往造成焊接困难。当产品有阻燃特性要求时，塑胶原料通过添加阻燃剂来降低材料燃烧性能，阻燃剂在高温作用下会发生强烈的吸热反应，吸收超声波振动的部分热量；同时，阻燃剂在高温下形成玻璃状或稳定的泡沫覆盖层和碳化物，这部分覆盖层阻碍了熔融树脂的熔接；而且阻燃剂在高温作用下，会不断的分解出不可燃气体，致使焊缝中存在微量残余气体，影响产品的超声焊接质量。大多数着色剂并不抑制超声波能量传递，[4]但着色剂一般都是无机化学物，具有不可焊接性，着色剂混合于树脂中，具有耐候性，着色稳定，遇高温不易分解等特性，着色剂含量过高时，零件焊缝熔接树脂就会不足。实验证明，纯原料超声波焊接强度明显优于添加着色剂塑料。

其他因素对塑胶材料超声波焊接性的影响：（1）水分。塑胶材料中存在一定含量的水分。塑胶零件在注塑前一般进行高温干燥处理，以便更好的去除水分进行注塑成型，得到质量高稳定性好的零件。但是塑胶内部的水分不可能全部去除，在超声波焊接时，水分遇高温汽化，在焊缝处会留下残余水汽形成气孔，还可能对某些塑胶发生水解反应降解塑胶，大大降低焊接强度并降低焊接质量。因此，需要超声波焊接的零件，在注塑时需要尽量的做去除水分的处理。（2）脱模剂。脱模剂常用于喷涂在模具模腔内，以利于注塑零件脱出模具。不可避免的脱模剂会转移到注塑的塑胶零件上。脱模剂耐热性能良好，耐温达300℃不发生碳化降解，性能稳定不与树脂发生反应；具有润滑性，转移到焊缝面上会减少摩擦，抑制了振动摩擦发热量；脱模剂在零件表面形成均匀薄膜阻碍树脂的熔接。为了获得良好的焊接性能，在超声焊接前，必须清洗去除零件焊接面处的脱模剂。

4 塑胶零件的超声波焊接结构设计

合理的超声波塑胶结构设计，对超声波焊接工藝可以起到事半功倍的影响，所以本文重点阐述了影响超声焊接的结构设计。

4.1 超声波导能线设计

合理的超声波导能线设计，以及超声波导能线高度设计均会提高超声波焊接产品的良率。

如下图所示，导能线设计为榫槽式，塑胶零件焊接装配定位简单容易。按照如图的参数设计导能线的高度以及榫槽的宽度，熔融树脂填充槽内三面缝隙，增强焊接强度和密封性能，减少焊接飞边，焊接出的产品更加美观。

4.2 超声波塑胶结构设计注意事项

實践证明，塑胶零件在设计时应尽量避免塑胶零件中出现尖角、凸出的细小结构等特征。塑胶零件注塑成型过程中，尖角、凸出结构是应力聚集区域，在超声波振动下容易产生裂痕和断裂。在尖角位置可以增加适当的圆角过渡，凸出的结构件需增加加强筋，以便于增加塑胶的强度和避免应力集中，如下图4所示。

超声波传导区域应尽量避免出现开孔和弯曲突变结构，因为这些结构会引起超声波能量在振动传导过程发生中断和衰减，导致在开孔和突变结构的下方出现焊接不良现象。

4.3 避免薄膜效应

在超声波焊接过程中塑胶零件表面可能会出现能量聚集，出现烧焦、烧穿的现象。这种现象一般出现在零件的中心区域，研究发现可通过以下多项措施来改善：（1）零件内部增加加强筋。（2）增加零件壁厚。（3）调节振幅。（4）减少焊接时间。（5）改变超声波频率。

4.4 导能线的近场设计

塑胶零件的导能线设计应尽量接近焊头装置，近场设计有利于超声波能量的传递。距离太远，由于塑胶零件的内部阻尼作用，将会大大衰减和抑制超声波振动的能量，需要提升超声波功率或振幅来改善超声焊接质量。

4.5 导能线的水平设计

塑胶零件的导能线设计应尽量设计在同一水平面上，以利于超声波能量从焊头同一时间传递到导能线上。导能线设计在不同的平面上，超声波传递路线就会出现不同的段差，导致在距离焊头近的导能线先融化，而距离焊头远的导能线未融化，增加整个超声设备调机的难度，需要不断的去尝试不同的焊接时间以及焊接功率来补偿设计的不足。

5 结语

由于超声波焊接的影响因素复杂多样，而且超声波本身焊接时间短，焊接后产品难于检测焊接质量，所以为获得高焊接强度和密封要求的合格产品，必须选择合适的超声焊接设备，合理的设计塑胶零件和焊接头的结构，根据塑胶原料的物性表慎重的选择塑胶原料的种类，通过调整焊接设备的焊接工艺参数，掌握超声波的焊接机理，更好地把这项工艺应用到塑胶产品上，提高产品的生产效率。

参考文献：

[1]杨刚.塑料超声波焊接的研究[J].科学技术创新，2018（2）：61.

[2]T.Herrmann，王立伟.塑料超声波焊接的研究[J].模具设计，1989（4）：69.

[3]Liu S J，Chang IT.Factors Affecting the Joint Strength of Ultrasonically Welded Polypropylene Composites.Polymer Composites，2001；22（1）：132-141.

[4]http：//www.plas.hc360.com/2007daquan/web/jsyy/jsyy_6.htm.