工艺篇_超声波焊接

摘要：现今，应用超声波技术于塑胶工业生产上已为极为普遍，由于应用此技术可取代传统生上所用的胶水，粘合剂，扣钉，或其它机械固定法。从而提高生产效率及质量，降低成本，故为一般生产商所乐于采用，其应用范围广泛，如汽车业、玩具业、医疗用品业、日用品业等等，比比皆是。

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

什么是超声波

超声波是与频率（声音）有关，超出了人类听觉范围内的音波，通常在18000至20000秒。

超声波熔接是一种高科技，一切热溶性塑料制品皆可应用。

现今，应用超声波技术于塑胶工业生产上已为极为普遍，由于应用此技术可取代传统生上所用的胶水，粘合剂，扣钉，或其它机械固定法。从而提高生产效率及质量，降低成本，故为一般生产商所乐于采用，其应用范围广泛，如汽车业、玩具业、医疗用品业、日用品业等等，比比皆是。

超声波焊接

超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。

一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器，换能器/变幅杆/焊头三联组，模具和机架。

线性振动摩擦焊接利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能来使塑料熔化。热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振幅往复的移动。一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合。

轨道式振动摩擦焊接是一种利用摩擦热能焊接的方法。在进行轨道式振动摩擦焊接时，上部的工件以固定的速度进行轨道运动——向各个方向的圆周运动。运动可以产生热能，使两个塑料件的焊接部分达到熔点。一旦塑料开始熔化，运动就停止，两个工件的焊接部分将凝固并牢牢的连接在一起。小的夹持力会导致工件产生最小程度的变形，直径在10英寸以内的工件可以应用轨道式振动摩擦进行焊接。

超声波焊接的原理

基本原理是利用换能器系统使用电信号转换为高频机械振动。通过高速热磨擦，令塑胶熔合。按其它方式可分为直接与传导二种熔接方法。

直接熔接：即先使材质如线或带相互重叠，固定于塑胶熔接机类具上，让其能量转换器（HORN）直接在上面产生音波振动效能而熔接传导熔接：即熔接时，离超声波振动，隔一段距离其音波振动传导熔接

超声波塑料焊接机

超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积

超声波金属焊接原理

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz ）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将线框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

1、超声波塑料焊接

热塑性塑料在超声波振动作用下，由于表面分子间摩擦生热而使两块塑料熔接在一起的焊接方法。

热塑性塑料焊接注意事项：

A.舌榫的设计保证在焊接周期中对位方便。

B.焊线设计纤细，但必须有足够的可熔化材料令焊接面熔合。具体设计方式要视乎应用在焊接何种工件设备中。焊接压力、震幅等参数可调，保证焊头能接触到焊接面并施压，下工件为接受压力部份，置于底模中不动。焊头因产生超声波高频，令上工件生热震动，因而能与下工件熔合，焊头停止震动后，压力保持,令熔解位置冷却成型。整个焊接时间大多为少于一秒。

2、超声波金属焊接

超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。

超声波金属焊接是一种机械处理过程，在焊接过程中，并无电流在被焊件中流过，也无诸如电焊模式的焊弧产生，由于超声焊接不存在热传导与电阻率等问题，因此对于有色金属材料来说，无疑是一种理想的金属焊接设备系统，对于不同厚度的片材，能有效地进行焊接。

优点：

焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。焊接无火花，环保安全。

超声波的熔焊应用方法

熔接法：以超声波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生摩擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。铆焊法：将超声波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。埋植：借着焊头的传道及适当的压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型的强度，可免除射出模受损及射出缓慢的缺点。成型：本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压在塑胶品外圈，焊头发出超声波超高频振动后将塑胶熔融成型而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭的固定成型，及化妆品类的镜片固定等。点焊：将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。切割封口：运用超声波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

适用产品

1）、镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔。2）、锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。3）、电线互熔，偏结成一条与多条互熔。4）、电线与各种电子元件、接点、连接器互熔。5）、各种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔。6）、电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。7）、金属管的封尾、切断防水、气密。

(1)当焊接工件的厚度及硬度提高时，焊接所需功率呈指数增大，因而增加了超声波焊机的制造成本。当所需功率过大时，声学系统的设计制造和工艺效果都会产生一系列较难解决的问题，因此，当前主要限于丝、箔、片等较细较薄的工件焊接。

(2)当前超声波焊接系统的接头形式仅限于搭接，且受工具头的限制，工件只能在焊接系统允许的尺寸范围内伸入，焊接的接头形式和尺寸范围局限性较大。

(3)当前对于超声波焊接的质量检测较为困难，一般的检测方法难以在生产过程中进行实时监控，无损检测的方法尚未达到普及状态( [1]) 。

塑料特性焊接关系

绝大部分常用的注塑成形合物都可用超声波焊接，但超声塑料焊接的难易与被焊接本身的许多特性有关，塑料的磨擦系数越大，导热性越差，界面越易形成熔融层，其超声焊接越容易，结晶型塑料由于从固态到熔融状态，湿度范围较窄，非常迅速，故焊接性能较差，调整很困难。

软性塑料在铆焊嵌插焊时，其超声焊接的性能比软性塑料容易焊接

目前，各类塑料制品层出不穷，这里将几种常见的塑料的超声焊接性能作简单的介绍：

1）ABS、HIPS、PMMA、MPPO：钢性非结晶体材料，极易传导20000HZ的超声频率，因而特别适合焊接，玩论远距离或近距离都达到良好的焊接效果；

2）PC、PSU：材料熔点高，吸湿性强，因而焊接前作烘干处理，否则材料内的湿气会妨碍焊接强度，同时湿气会使焊接地耗能较大，焊接时间长。

3）PA：是吸湿性较强的结晶型材料，因而焊接前应烘干。

4）PP、PE：属于结晶型材料，超声传导时，会有较大的损耗，故远距离焊接困难。

5）PVC：是一种熔点质又软的材料，超声能量损耗大，焊接时，极易烧坏焊件表面。