1、超声波焊接技术魏秀炳超声波原理超声波原理：我们知道正确的波的物理定义是：振动在物体中的传递形成波。这样波的形成必须有两个条件：一是振动源，二是传播介质。波的分类一般有如下几种：一是根据振动方向和传播方向来分类。当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ，所以在这个范围之内的波叫做声波。低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波叫超声波。1 1、超声波在塑料加工中的应用原理：超声波在塑料加工中的应用原理：塑料加工中所用的超声波，现有的几种工塑料加工中所用的超声波，现有的几种工作频率有作频率有
2、15KHZ15KHZ，18KHZ18KHZ，20KHZ20KHZ，40KHZ40KHZ。其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙，在加压的情况下，使两个塑料件的缝隙，在加压的情况下，使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达到加工目的到加工目的。波在物体里传播，主要有以下的参数：一是速度V，二是频率F，三是波长。三者之间的关系如下：V=F.。波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播
3、始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。2 2、超声波焊机的组成部分和原理超声波焊机的组成部分和原理 超声波焊接机主要由如下几个部分组成：发生器、气动部分、程序控制部分，换能器部分。发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。程序控制部分控制整部机器的工作流程，做到一致的加工效果。换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面。现在国内应用较多的发生器一般有两种：一种是以美国BRANSON公司为代表，所采用的桥式功
4、放电路，保护电路采用相位保护，工作频率一般为20KHZ。其优点是电转换效率高，缺点是频率调节电感调节范围窄，频率跟踪性能较差。另一个缺点是功率不可能做得很大，最大也就是3KW左右；另一种是台湾型机器，普遍采用B类功放、过流保护、桥式反馈。优点是功率可以做得较大（如4.2KW），频率跟踪性能好，大功率情况下一般采用15KHZ的工作频率。缺点是电转化效率较低，15KHZ的工作频率是人耳所能听到的，反映出噪声较大；另外还有瑞士、德国、日本的采用频率自动跟踪技术的机器。因其价格较高，国内在要求比较高的外资厂也常见到。换能器部分由三部分组成：换能器部分由三部分组成：换能器（TRANSDUCER）；增幅器
5、（又称二级杆、变幅杆，BOOSTER）；焊头（又称焊模，HORN或SONTRODE）。换能器换能器(TRANSDUCER)(TRANSDUCER)：换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。将电信号转换成机械振动信号有两种物理效应可以应用。A：磁致伸缩效应。B：压电效应的反效应。磁致伸缩效应在早期的超声波应用中较常使用，其优点是可做的功率容量大；缺点是转化效率低，制作难度大，难于大批量工业生产。自从朗之万压电陶瓷换能器的发明，使压电效应反效应的应用得以广泛采纳。压电陶瓷换能器具有转换效率高，大批量生产等优点，缺点是制作的功率容量偏小。现有的超声波机器一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用
6、两个金属的前后负载块将压电陶瓷夹在中间，通过螺杆紧密连接而制成的。通常的换能器输出的振幅为10m左右。变幅杆（变幅杆（BOOSTERBOOSTER）：变幅杆本身就是一条金属柱，通过形状的设计，可以将换能器传递过来的振幅进行放大，达到加工塑料件所需能量振幅，相当于加热的温度，如我们常用的ABS、AS塑料所需的加工振幅为20m左右；尼龙、聚丙稀所需的加工振幅为50m左右。焊头（焊头（HORNHORN）：焊头的作用是对于特定的塑料件制作，符合塑料件的形状、加工范围等要求。换能器、变幅杆、焊头均设计为所工作的超声频率的半波长，所以它们的尺寸和形状均要经过特别的设计；任何的改动均可能引致频率、加工效果的
7、改变，它们需专业制作。耐用方面根据所采用的材料不同，尺寸也会有所不同。适合做超声波的换能器、变幅杆和焊头的材料有：钛合金、铝合金、合金钢等。由于超声波是不停地以20KHZ左右高频振动的，所以材料的要求非常高，并不是普通的材料所能承受的。4 4、超声波焊接机的参数及调节方法：、超声波焊接机的参数及调节方法：一般的超声波焊接机上有如下的参数是可以调节的：A A：超声波发生器上的调谐旋钮：超声波发生器上的调谐旋钮：这是超声波焊机最关键的一个调节旋钮。其调节目的是使超声波发生器所发出的高压电信号频率同换能器部分的机械谐振频率一致。方法是轻触测试开关、左右设防该旋钮，使负载指示的电流为最小，即可完成调谐
8、步骤。B B：振幅档：振幅档：此旋钮有些机种上没有这个旋钮，其功能是通过调节发生器的输出电压，达到高速输出振幅的目的。C C：气动部分：气动部分：包括调速器、气压调节旋钮。调速器用于调节气缸的上、下速度。气压调节旋钮调节工作气压。D D：熔接时间（熔接时间（WELD TIMEWELD TIME）：用于调节超声波发射的时间，一般的塑料件熔接时间为 0.6S以下，通常超过1.5S熔接时间均可视作失败熔接（可视作振幅不够，或设计不合理）。E E：保压时间（保压时间（HOLD TIMEHOLD TIME）：保压时间相当于加工塑料件之后的固化时间，通常如果塑料件的固定位设置得好，此时间可不用考虑，如果塑
9、料件内部有弹簧等部件，该时间应相应调长。F F：触发调节触发调节：触发调节有两种方式，一种是延时触发。这种调节一般指示为延迟时间（DELAY TIME）。其所指为从触发机器开始到超声波发射为止的时间。通过调节，可实现先发射超声波再熔接，或先压紧塑料件再触发超声波。另一种是压力触发。这种触发方式常见于美国BRANSON 8400和8700形式的超声波焊接机中，其原理是调节压紧塑料件的力度来触发超声波。对于较大的塑料件，为防止起振失败，多采用先触发超声波再熔接，或以较小的触发力度。5 5、塑料件材料对超声波焊接的影响、塑料件材料对超声波焊接的影响 超声波在塑料件中传播，塑料件或多或少对超声波能量有
10、吸收和衰减，从而对超声加工效果产生一定的影响，塑料一般有非晶体材料之分，按硬度有硬胶和软胶之分，还有模数的区分，通俗地来说，硬度高，低熔点的塑料超声加工性能优于硬度低、高熔点的塑料。因此，这就牵涉到超声波加工距离的远近问题，详见第7节远、近距离焊接。6 6、塑料件的加工条件对超声焊接的、塑料件的加工条件对超声焊接的影响影响 塑料件经过注塑、挤压或吹塑等的不同加工形式以及不同的加工条件都会形成对超声焊接产生一定影响的因素。A A：湿度缺陷湿度缺陷：湿度缺陷一般在制作有条纹或疏松的塑料件过程中形成，湿度缺陷在焊接中衰减有用能量，使密封位渗水，加长焊接时间，所以湿度高的塑料件在焊接前要作烘干处理。如
11、聚甲醛等。B B：注塑过程的影响注塑过程的影响：注塑过程参数的调整会引致如下缺陷：注塑过程参数的调整会引致如下缺陷：尺寸变化(收缩、弯曲变形)重量变化 表面损伤 统一性不佳 C C：保存期保存期：塑料件注塑加工出来后，一般最少放置24小时后，再进行焊接，以消除塑料件本身应力、变形等因素。无定形塑料通过注塑出来的塑料件可不按此要求。D D：再生塑料再生塑料 再生塑料的强度比较差，对超声波焊接适应性也较差，所以如用再生塑料，各种设计尺寸均要酌情加以考虑。E E：脱模剂和杂质脱模剂和杂质 脱模剂和杂质对超声波焊接有一定的影响。虽然超声波加工时可将加工表面的溶剂、杂质等震开，但对于要求密封、或在高强度
12、的情况下，应尽可能去除。在有些情况下，先清洗塑料件是必要的。7 7、塑料件的设计、塑料件的设计 现代注塑方式能有效提供比较完美的焊接用塑胶件。当我们决定用超声波焊接技术完成熔合时，塑料件的结构设计必须首先考虑如下几点：焊缝的大小(即要考虑所需强度)是否需要水密、气密 是否需要完美的外观 避免塑料熔化或合成物的溢出 是否适合焊头加工要求 焊接质量可以通过下面几点的控制来获得：焊接质量可以通过下面几点的控制来获得：材质 塑料件的结构 焊接线的位置和设计 焊接面的大小 上下表面的位置和松紧度 焊头与塑料件的接触面 顺畅的焊接路径 底模的支持 为了获得完美的、可重复的熔焊方式，必须遵循三个主要设计方向
13、：最初接触的两个表面必须小，以便将所需能量集中，并尽量减少所需要的总能量(即接时间)来完成熔接。找到适合的固定和对齐的方法，如；塑料件的接插孔、台阶或企口之类。围绕着连接界面的焊接面必须是统一而且相互紧密接触的。如果可能的话，接触面尽量在同一个平面上，这样可使能量转换时保持一致。下面就对塑料件设计中的要点进行分类举例说明：7.17.1整体塑料件的设计整体塑料件的设计 7.1.17.1.1塑料件的结构塑料件的结构 塑料件必须有一定的刚性及足够的壁厚。太薄的壁厚有一定的危险性，超声波焊接时是需要加压的，一般气压为2-6Kf/cm2。所以塑料件必须保证在加压情况下基本不变形。7.1.27.1.2罐状
14、或箱形塑料等罐状或箱形塑料等，在其接触焊头的表面会引起共振而形成一些集中的能量聚焦点，从而产生烧伤、穿孔的情况（如图1所示），在设计时可以在罐状顶部做如下考虑：1 1、加厚塑料件、加厚塑料件 2 2、增加加强筋、增加加强筋 3 3、焊头中间、焊头中间位置避空位置避空 图图1 图图2 带尖角带尖角 带圆弧过渡带圆弧过渡。7.1.47.1.4塑料悠扬的附属物塑料悠扬的附属物注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因超声波振动产生影响而断裂注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因超声波振动产生影响而断裂或脱落，例如固定梢等（如图或脱落，例如固定梢等（如图3 3所示）。通过以下设计可尽可能减小或消除
15、这所示）。通过以下设计可尽可能减小或消除这种问题：种问题：在附属物与主体相交的地方加一个大的在附属物与主体相交的地方加一个大的R R角，或加加强筋。角，或加加强筋。增加附属物的厚度或直径。增加附属物的厚度或直径。7.1.57.1.5塑料件的孔和间隙塑料件的孔和间隙如被焊头接触的零件有孔或其它开口，则在超声波传递过程中会产生干扰和如被焊头接触的零件有孔或其它开口，则在超声波传递过程中会产生干扰和衰减。（如图衰减。（如图4 4所示）。根据村料类型（尤其是半晶体材料）和孔的大小，在所示）。根据村料类型（尤其是半晶体材料）和孔的大小，在开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量预以避免
16、。开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量预以避免。图图3 图图4 7.1.67.1.6塑料件中薄而弯曲的传递结构塑料件中薄而弯曲的传递结构被焊头接触的塑料件的形状中，如果有薄而弯曲的结构，而且需要用被焊头接触的塑料件的形状中，如果有薄而弯曲的结构，而且需要用来传递超声波能量的时候，特别对于半晶体材料，超声波震动很难传来传递超声波能量的时候，特别对于半晶体材料，超声波震动很难传递到加工面（如图递到加工面（如图5 5所示）。对这种设计应尽量避免。所示）。对这种设计应尽量避免。图图5 7.1.7 7.1.7 近距离和远距离焊接近距离和远距离焊接 近距离焊接指被焊接位距离焊头接触位
17、在6mm以内，远距离焊接则大于6mm。超声波焊接中的能量在塑料件传递时会被衰减，尤以半晶体材料为甚。在非晶体塑料中，由于分子的无序排列，振动基本不衰减地传递。衰减在低硬度塑料里也较厉害。因引，设计时，要特别注意到要让足够的能量传到加工区域。远距离焊接，对于硬胶（如PS、ABS、AS、PMMA）等比较适合，一些半晶体塑料（如POM、PETP、PBTB、PA）通过合适的形状设计也可用于远距离焊接。7.1.87.1.8塑料件焊头接触面的设计塑料件焊头接触面的设计注塑件可以设计成任何形状，但是超声波焊头并不能随意制作。形状、长短均可能影注塑件可以设计成任何形状，但是超声波焊头并不能随意制作。形状、长短
18、均可能影响焊头频率、振幅等参数。焊头的设计需要有一个基准面，即按照其工件频率决定的响焊头频率、振幅等参数。焊头的设计需要有一个基准面，即按照其工件频率决定的基准频率面。基准频率面一般占到焊头表面的基准频率面。基准频率面一般占到焊头表面的70%70%以上的面积，所以，注塑件表面的突以上的面积，所以，注塑件表面的突起等形状最好小于整个塑料而后起等形状最好小于整个塑料而后30%30%。平滑、圆弧过渡的塑料件表面，则此标准可以适。平滑、圆弧过渡的塑料件表面，则此标准可以适当放宽。且突出位尽量位于塑料件的中部或对称设计。当放宽。且突出位尽量位于塑料件的中部或对称设计。塑料件焊头接触面至少大于熔接面，且尽
19、量对正焊接位。过小的焊头接触面（如图塑料件焊头接触面至少大于熔接面，且尽量对正焊接位。过小的焊头接触面（如图6 6所所示），会引起较大的损伤和变形，以及不理想的熔接效果。示），会引起较大的损伤和变形，以及不理想的熔接效果。在焊头表面有损伤纹，或其形状与塑料件配合有少许差异的情况下，焊接进，会在塑在焊头表面有损伤纹，或其形状与塑料件配合有少许差异的情况下，焊接进，会在塑料件表面留下伤痕。避免方法是：在焊头与塑料件表面之间垫薄膜（例如料件表面留下伤痕。避免方法是：在焊头与塑料件表面之间垫薄膜（例如PEPE膜等）膜等）图图6 7.27.2焊接线的设计焊接线的设计 焊接线是超声波直接作用熔化的部分，其
20、基本的两种设计方式：能量导向 剪切设计 所有其它的变化都可归类于这两种类型或混和类型。7.2.17.2.1能量导向能量导向 能量导向是一种典型的在将被焊接的一个面注塑出突起三角形柱。能量导向的基本功能是：集中能量，使其快速软化和熔化接触面。能量导向允许快速焊接，同时获得最大的力度。在这种导向中，其材料在部分流向接触面。能量导向是非晶态材料中最常用的方法。能量导向柱的大小和位置取决于如下几点：能量导向柱的大小和位置取决于如下几点：材料 塑料件结构 使用要求。图7所示为能量导向柱的典型尺寸。当使用较易焊接的材料，如聚苯乙稀等硬度高、熔点低的材料时，建议高度最低为0.25mm。当材料为半晶体材料或高
21、温混合脂时（如聚乙碳），则高度至少要为0.5mm。当用能量导向来焊接半晶体树脂时（如乙缩荃、尼龙），最大的连接力主要从能量导向柱的底盘宽度来获得。图图7 没有规则说明能量导向应做在塑料件哪一面，特殊情况要通过实验来确定。当两个塑料件村质、强度不同时，能量导向一般设置在熔点高和强度低的一面。根据塑料件要求（例如水密、气密性、强度等），能量导向设计可以组合、分段设计。例如：只是需要一定的强度的情况下，分段能量导向经常采用（例如手机电池等）。如图8所示。图图8 7.2.27.2.2能量导向设计中对位方式的设计能量导向设计中对位方式的设计上下塑料件在焊接过程中都要保证对位准确，限位高度一般不低于上下塑
22、料件在焊接过程中都要保证对位准确，限位高度一般不低于1mm1mm，上下塑料平行松动位必须很小，一般小于，上下塑料平行松动位必须很小，一般小于0.05mm0.05mm。基本的能量。基本的能量导向可合并为连接设计，而不是简单的对接，包括对位方式。采用能导向可合并为连接设计，而不是简单的对接，包括对位方式。采用能量导向的不同连接设计后例子包括以下几种：量导向的不同连接设计后例子包括以下几种：插销定位：图插销定位：图9 9所示为基本的插销定位方式，插销定位中应保证插销所示为基本的插销定位方式，插销定位中应保证插销件的强度，防止超声波震断。件的强度，防止超声波震断。图图9 台阶定位台阶定位：图10所示为
23、基本的台阶定位方式，如h大于焊线的高度，则会在塑料件外部形成一条装饰线，一般装饰线的大小为0.25mm左右，创出更吸引人的外观，而两个零件之间的差异就不易发现。图11所示台阶定位，则可能产生外溢料。图12所示台阶定位，则可能产生内溢料。图13所示台阶定位为双面定位，可防止内外溢料。底模定位底模定位：如图15所示，采用这种设计，塑料件的设计变得简单，但对底模要求高。通常会引致塑料件的平行移位，同时底模固定太紧会影响生产效率。焊头加底模定位焊头加底模定位：如图16所示，采用这种设计一般用于特殊情况，并不实用及常用。图图15 图图16 其它情况：其它情况：A：如图17所示，为大型塑料件可用的一种方式
24、，应注意的是下支撑模具必须支撑住凸缘，上塑料件凸缘必须接触焊头，上塑料件的上表面离凸缘不能太远，如必要情况下，可采用多焊头结构。B：如连接中采用能量导向，且将两个焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整个焊接的质量和力度。通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。C：在焊接不易熔接的树脂或不规则形状时，为了获得密封效果，则有必要插入一个密封圈。如图18所示。需要注意的是密封圈只压在焊接末端。图19所示为薄壁零件的焊接，比如热成形的硬纸板（带塑料涂层），与一个塑料盖的焊接。图图17 图图18 图图19 7.2.37.2.3剪切式设计剪切式设计 在半晶体塑料（如尼龙、乙缩醛、聚丙烯、聚乙烯和
25、热塑聚脂）的熔接中，采用能量导向的连接设计也许达不到理想的效果。这是因为半晶体的树脂会很快从固态转变成融化状态，或者说从融化状态转化为固态，而且是经过一个相对狭窄的温度范围，从能量导向柱流出的融化物在还没与相接界面融合时，又将很快再固化。因此，在这种情况下，只要几何原理允许，我们推荐使用剪切连接的结构。采用剪切连接的设计，首先是熔化小的和最初接触的区域来完成焊接，然后当零件嵌入到一起时，继续沿着其垂直壁，用受控的接触面来融化。如图20所示，这样，可获得强劲结构或很好的密封效果，因为界面的熔化区域不会让周围的空气进来。由于此原因，剪切连接尤其对半晶体树脂非常有用。剪切连接的熔接深度是可以调节的，
26、深度不同所获得的强度不同，熔接深度一般建议为0.8-1.5mm。当塑料件壁厚较厚及强度要求高时，熔接深度建议为1.25x壁厚。图21所示为几种基本的剪切式结构：图图20 图图21 剪切连接要求一个塑料壁面有足够强度能支持及防止焊接中的偏差。有需要时，底模的支撑高于焊接位，提供辅助的支撑。下表所示为零件大小尺寸和接触面、零件误差的大概尺寸：当零件尺寸大于90mm时，或零件有不规则的形状时，建议不采用剪切连接。这是因为注塑时很难控制误差及变形使其保持一致。如果是上述情况，建议采用能量导向的形式。图22所示为双面剪切式设计 图23所示为扣式焊线设计，用于高强度，但上下塑料件不接触的情况下。在特殊情况下，可用于增加密封圈的情况 图图22 图图23 8 8、超声应用超声应用 8.18.1超声焊接超声焊接 图24、25所示分别为近、远距离焊接的实例。图图24 图图25 8.28.2超声波点焊超声波点焊 当塑料件为较大平面的平板或没有焊线的情况下，需要采用超声波点焊。图26所示点焊的设计方法。焊头穿透上部塑料件后，熔融的塑料围绕点焊的位置形成一个熔融的圆环，从而将两块平板牢牢地结合。一般上平板的厚度不大于8mm。点焊还可以用手动焊接来实现。
