塑料超声波铆接技术

张胜玉

（广州市特种设备行业协会，广东　广州　510380）

塑料超声波铆接技术

张胜玉

（广州市特种设备行业协会，广东广州510380）

超声波铆接是一种连接异种材料（通常是塑料与金属或异种塑料）的装配方法。它通过可控熔化和整形塑料柱销在另一工件上产生锁头并将其锁定。由于超声波铆接具有循环时间短、可重复性好、易控制、紧装配、能一次铆接多元件等优点，在汽车、五金、电子、电器、仪器仪表、航空航天工业获得了广泛的应用。本文对超声波铆接原理及过程、铆接适应性、铆接结构、铆接技术、特点、常见问题分析及处理进行了论述。

超声波铆接；装配方法；金属与塑料；异种塑料；焊头；空腔；凸台；柱销；整形；铆接结构

超声波铆接，有时称超声波铆焊，是一种极好的连接异种材料的装配方法。在两工件由异种不可焊塑料组成或者一个工件相对于另一工件简单的机械固定足够（不需分子键合）时，超声波铆接可以代替超声波焊接。超声波铆接最常用于金属与塑料的连接。

1　超声波铆接原理及过程

超声波铆接的基本原理是将高频电能转化为高频机械能以往复纵向移动的方式作用于热塑性塑料，在塑料/塑料或者塑料/金属界面产生摩擦热，形成局部熔化，通过可控熔化和整形塑料凸台或柱销以锁定另一零件。

在超声波铆接的过程中，熔化塑料的控制流用于锁定另一零件（通常是另一种塑料或金属）。预成型塑料柱销从待锁定零件的孔中穿出，来自焊头的高频超声振动传递给柱销上部，柱销由于摩擦热产生熔化并填充焊头空腔体积，结果产生铆头锁紧零件。塑料柱销是在持续轻压下渐次熔化形成铆头。焊头的轻微压力使柱销头部形成特定的形状（由焊头端部结构决定）。振动停止后，塑料凝固，异种材料固结在一起。

2　各种塑料的超声波铆接适应性

超声波铆接适用于塑料与其它材料如金属的连接以及异种塑料的连接。但可能不适合于同种塑料的连接，因为在这种情况下，柱销的软化头有可能与配合件焊在一起并形成尖锐缺口，造成应力集中和脆化接头。与普通的超声波焊接刚好相反，通常塑料愈软，愈容易超声波铆接。不过，采用适当的振幅和压力组合大多数塑料能获得良好的结果。为取得最好的结果，超声波铆接限于用于熔化/软化温度差至少达22 ℃的塑料之间。表1列出了各种常用热塑性塑料超声波铆接难易程度。

3　超声波铆接结构

超声波铆接在待装配工件还处于设计阶段时就应该加以考虑。有几种柱销/空腔设计结构，每一种各有其优缺点。结构的选择由塑料种类、工件几何形状、装配要求、机加工和成型能力及美观外形等因素决定。每一种结构的超声波铆接原则是相同的：焊头和柱销之间的初始接触面积保持最小以便集中能量和产生快速熔化。

超声波铆接组件的完整性很大程度上取决于柱销与空腔之间的几何关系。适当的设计会产生最佳强度及最少飞边。只要有可能，柱销应设计成底部带下凹半径以防止断裂或熔化。配合零件中的孔应倒圆或者至少去毛刺。应避免长的柱销。柱销应适当定位和自下刚性支撑以确保能量消耗在焊头/柱销界面而不是作用于整个塑料组件和夹具。在焊头接触柱销之前开始超声振动可获得最佳的铆接结果。这样防止“冷成型”，允许柱销的逐渐整形。超声振动的预触发由预触发开关完成。为获得可重复的结果，铆接时焊头前进的距离应保持一致并受限位挡块调节的限制。

表1 常用热塑性塑料超声波铆接难易程度

各种超声波铆接结构如下：

3.1标准（莲座）形铆接（standard rosette profile stake）

如图1所示，标准形铆接最常用于直径D大于等于1.6 mm的柱销。模制柱销上部是平的，熔化由焊头空腔中的小伸出尖端引起。产生的铆头是柱销直径的两倍，满足绝大多数铆接应用要求。它非常适合于铆接硬质和软质无磨料（未填充的）热塑性塑料，尤其是低密度无磨料非结晶性塑料。螺纹焊头的标准螺纹尖端适用于直径为0.8~4.8 mm的柱销。标准型不应该用于直径4 mm以上的柱销，这时应使用低断面铆接和中空铆接。1.6 mm以下的柱销应该用圆顶铆接。

3.2低断面铆接(low profile stake)

如图2所示，低断面铆接与标准型铆接非常相似。区别在于最终铆头高度的不同。铆头高度的降低（低断面）在用于空间受限的地方是有利的，它缩短循环时间，但铆接强度较低。

图1　标准形铆接

图2　低断面铆接

3.3圆顶铆接(dome stake)

如图3所示，圆顶铆接推荐用于直径小于1.6 mm的柱销或者铆接多个柱销时。它尤其用于非常小的直径或者填充玻璃或矿物质的塑料。推荐用于有明确熔化温度的硬质结晶性塑料、含磨料塑料及易降解塑料。柱销的上部应是锥形的。在减少通过柱销传递能量的同时，这有助于开始熔化。焊头和柱销之间的对中并不如标准型那么重要，因为尖端和工件可以自动调整。在铆接玻璃填充材料时，圆顶铆接尖端比标准型尖端不容易磨损。

图3　圆顶铆接

3.4滚花铆接(knurled stake)

如图4所示，可获得凸纹和凹纹图案的滚花铆接是为简便和快捷装配而设计的。因为飞边不可控，它用于外观和强度并不重要的场合。没有规定尺寸的焊头空腔，可进行多个铆接而不需考虑精确对准或者柱销的直径。由于对准并不是重要考虑事项，滚花铆接非常适合于大批量生产。通常推荐采用手持超声波点焊机操作。

图4　滚花铆接

3.5齐平铆接(flush stake)

如图5所示，在需要齐平表面和内装件中有足够厚度允许凹进（凹槽或埋头孔）的应用场合，适合于齐平铆接。推荐使用圆顶铆接所用的锥形柱销设计。使用平整表面的焊头或端部。齐平铆接可用于所有热塑性塑料，强度比其它设计要低。

图5　齐平铆接

3.6中空铆接（hollow stake）

图6　中空铆接

如图6所示，中空铆接通常用于直径大于等于4 mm的柱销。中空柱销模制时是有利的，因为能防止出现表面缩陷和内部空洞。铆接中空柱销产生大而强的铆头而不必熔化和移动大量材料。而且在需要拆卸修理时，可通过除掉形成的柱销头部接近内部组件并将自攻螺丝敲进柱销内径重新装配来进行修理。

3.7多元件铆接（multiple staking）

在很多情况下，可以一次铆接多个柱销。此外还允许多平面柱销的铆接，只要这些平面相对彼此靠近（一般小于6.35 mm）。多元件铆接的可行性取决于是否能设计适当运作的焊头。在零件几何形状排除使用标准焊头的场合，可设计多元件焊头满足应用要求。带六个尖端的焊头已成功应用于多元件铆接。铆接质量随工件尺寸一致性和焊头振幅均匀性而变化。

不论选择哪种特殊的铆接结构，都有一些共同的设计特点。设计时考虑这些特点可以最大化效率和过程一致性。

（1）柱销底部半径有助于消除高应力集中区（如尖角处）。引入半径的两种方法如图7所示。不引入半径可能造成柱销底部烧伤或断裂而不是在焊头/柱销界面消耗能量。

图7　在柱销/工件设计中引入半径

（2）柱销与通孔之间的配合至关重要，这是因为所形成铆头的完整性取决于空腔和移动材料的体积关系。零件之间配合的变化可能改变这种关系，出现不一致。例如沿着柱销直径与孔径之间侧壁的间隙（见图8）会允许部分位移材料流入，减少形成铆头的材料。因而，一般推荐滑动配合。

4　超声波铆接技术

依据材料和铆接要求，有两种铆接方法：常规方法（最常用）和高压法。两种方法都需要柱销适当定位和正下方刚性支撑以确保对准焊头空腔以及能量消耗于焊头/柱销界面而不是作用于整个塑料组件和夹具。

图8 工件之间配合

4.1常规方法

在此情况下，超声波能量集中在塑料柱销上部，所以只有该区域开始熔化。用于产生这种熔化铆接方法的机件在接触柱销上部之前通常需要预触发（供给超声波焊头能量）。焊头以预定速度和压力下降到接触柱销表面，允许柱销表面熔化。焊头下降速度不快于塑料柱销的熔化速度至关重要，因为这样可防止柱销变形或弯曲。塑料柱销熔进焊头空腔内。然后需要一段保压时间允许已整形的柱销头部凝固。凝固过程中成形头部和焊头之间足够的夹紧力保持工件之间紧紧咬合。与超声波塑料焊接不同，铆接需要在焊头与塑料表面之间产生不同相的振动。在有限接触区域的不同相振动需要轻的初始接触压力。在持续轻压下塑料柱销的渐次熔化形成铆头。铆接过程中推荐采用低压力而不是高压力。因为接合部件在焊头压力下夹紧直至铆头凝固，因而铆接可以形成紧装配，不存在热熔（heat staking）和冷成型（cold forming）时发生的弹性复原情况。

常规方法工艺参数如下：慢的下降速度、低动态触发参数设置的预触发、低压力、中到高振幅、柱销下部刚性支承。

4.2高压法

高压法需要在表面没有达到熔化温度时整形塑料柱销，用平面焊头（包含空腔）创造条件软化柱销和使柱销形成为平钉头外形。高压法作用于弹性材料如ABS和高抗冲苯乙烯或者聚乙烯和聚丙烯效果最好，作用于更硬的材料如聚碳酸酯和乙缩醛效果也不错。用于实现高压铆接的机件在供给超声波焊头能量和使用低振幅之前需要大力作用于焊头工作面和塑料柱销上部之间。在柱销上部和焊头之间施加高压时，建议仅采用低断面塑料柱销以利于防止柱销弯曲。图9所示为蘑菇状柱销断面图。高压法工艺参数如下：中等下降速度、中到高动态触发参数设置、中到高压力、低振幅、柱销下部刚性支承。

图9　高压铆接

5　超声波铆接特点

超声波铆接优点：循环时间短（通常少于1 s）、设计简单、无弹性复原的紧装配、成形塑料应力最小、不需耗材如螺钉和铆钉、单焊头能进行多元件铆接、可重复性和过程可控性好（能获得一致的结果）、在大多数情况下能够铆接着色的或镀铬的凸台或柱销。

超声波塑料铆接设备工作频率有20、30、40 kHz。取决于具体应用，每一种频率都有利有弊。

20 kHz优点是有利于大尺寸凸台或柱销。缺点是在焊接过程中较高振幅可能损伤柱销底部以及造成表面压痕，还会产生声频噪音。

30 kHz优点是几乎无声，能铆接甚至很大的柱销，超声波能量保持在近场区而表面压痕风险降至最低。缺点是特别小的柱销可能受到中等振幅的损害，因而更适合于40 kHz。

40 kHz优点是几乎无声，非常适合于特别小的柱销。缺点是可能缺乏足够的振幅在适当的循环时间完成焊接，因此造成柱销损伤或者表面压痕。难以焊接中到大的柱销。

6　超声波铆接常见问题分析与处理

超声波铆接中，经常遇到的问题和可能的产生原因及解决办法见表2。

表2　超声波铆接常见问题分析与处理

续表

7　结语

超声波铆接是一种熔化和整形柱销以机械锁定工件的装配方法。在两连接工件由异种不可焊材料（如金属与塑料）组成或者一个工件相对于另一工件简单的机械固定足够（不需分子键合）时，超声波铆接可以替代焊接。超声波铆接最常用于金属与塑料的连接。

超声波铆接组件的完整性取决于柱销与空腔之间的几何关系及成形柱销时所用的超声波参数。适当的铆接设计会产生最佳柱销强度及最少飞边的外观。结构设计取决于应用要求及待铆接的柱销外形尺寸。每一种结构的超声波铆接原则都是一样的：焊头和柱销之间的初始接触面积保持最小以便集中能量和产生快速可控的熔化。

超声波铆接一般指导原则如下：

使用高振幅焊头、小接触面积以集中加热和提高熔化速度；轻的初始接触压力与可控的焊头下降速度以便将超声波能量集中于有限的焊头/柱销接触区域；预触发超声波能量以产生不同相关系，防止焊头/柱销连在一起；慢的致动器下降速度在允许塑料流入焊头空腔的同时防止柱销断裂；在保压时间内较大的保持压力使柱销获得保留连接材料的最佳强度。

塑料超声波铆接技术是一种简单、低廉、高效、简易的永久性固定装配技术，可以将塑料件与金属件或其他不可焊接材质的组件铆接装配成一体，铆接面美观、光洁度好，不易龟裂脆化。该技术具有循环时间短、设计简单、紧装配、成形塑料应力最小、不需耗材、可重复性好、过程可控、单焊头能进行多元件铆接、无污染、加工质量高等优点，可广泛应用于汽车、五金、电子、电器、仪器仪表、航空航天等行业的生产中。

(XS-04)

Plastic ultrasonic riveting technology

TQ320.674

1009-797X(2015)12-0016-06

B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.12.003

张胜玉（1970-），男，高级工程师，毕业于上海交通大学材料科学及工程系焊接专业，工学学士。已发表论文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三届华中地区科学技术推广大会荣获二等奖，《搅动摩擦焊原理及应用》被中国高科技产业化研究会评为一等奖。研究方向：塑料及复合材料焊接，焊接新技术、新工艺。

2014-11-13