塑料超声波焊接技术的研究分析

张想，谭伟超，石绍伟

(江门职业技术学院，广东 江门 529030)

0 前言

机械制造业在许多国家特别是发达国家的国民经济中占有非常重要的地位，是国民经济的支柱产业。目前，随着中国制造2025的不断推进，社会对机械制造提出了新要求：安全、节能、环保。“以塑代钢”逐渐成为机械制造业发展的趋势，塑料在结构材料中所占比例逐年增加。特别是在汽车行业中，无论是内饰、外饰还是功能件，塑料是应用最广泛的轻质材料[1]。目前使用量最大的塑料有PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PA（尼龙）和PE（聚乙烯）。随着现代化塑料工业的发展，高性能的工程塑料也越来越多的在机械制造业应用。

然而，由于注塑工艺等因素的限制，一些复杂形状的制品不能直接注塑成型，需要黏结在一起，而传统的塑料黏结和热和工艺不仅效率低，而且黏结剂还有一定的毒性。于是，塑料超声波焊接以高效、优质、美观、节能等优越性脱颖而出。

1 塑料超声波焊接原理

塑料超声波焊接原理如图1所示[2]，超声波发生器产生超声波，传递至换能器，换能器将电振动转化为机械振动，机械振动传递至变幅器，将振动振幅放大，传递至焊头，最终高频振动波由焊头传递到两个需焊接的物体表面。同时压力机提供垂直振动单元工作过程的压力，在加压情况下，两个物体表面相互摩擦而形成分子之间的熔合。塑料超声波焊接时一种通过超声振动的焊接头将能量聚焦在焊接件，使得接触面分子在热力耦合作用下快速融合的固接方法[3]，与传统固接方式相比，采用超声波焊接，焊接时间短、焊接强度高、表面无损坏、易实现自动化等优点，被广泛用于同种材料或不同材料之间的连接。

图1 超声波焊接原理

虽然塑料超声波焊接有明显的优势，但是在实际焊接工作中，影响焊接效果的工艺参数因素较多，比如振幅、焊接时间、焊接压力、工件材料等等，而且相关研究总结较少。这使得焊接缺陷经常出现，也因此限制了塑料超声波焊接的广泛应用。

2 塑料超声波焊接的影响因素分析

2.1 材料对超声波焊接的影响

塑料超声波焊接的可焊性取决于公式（1）[4]：

其中：k为焊件的形状因子，E为材料弹性模量，μ为材料摩擦系数，λ为材料热导率，ρ为材料密度，c为材料的比热容，t为材料的熔点。

从以上公式可以看出，塑料超声波的焊接质量与材料弹性模量、摩擦系数、热导率成正比，与材料密度、熔点、比热容成反比。材料对焊接质量的影响非常大，在焊接之前，必须对焊件材料是否支持焊接进行验证分析。

2.1.1 材料种类对超声波焊接的影响

图2给出了常见热熔性塑料的相熔性数据。结合图2可以看出，并非所有的塑胶材料都可以用超声波进行焊接。同种材料可以很好的焊接在一起，但是不同种类的塑料之间焊接质量相差很大，总体来说，结构成分越相近，焊接的效果越好。

图2 常见塑料超声波焊接相熔性

2.1.2 材料改性对超声波焊接的影响

由于塑料本身强度、韧性等性能不高，为了提高性能常常在原料里添加纤维等添加剂。塑料材料的改性会影响超声波焊接质量，纤维等添加剂的加入可以提高材料间的硬度，有利于超声波的传递。因此，在合适的条件下，添加剂的加入可以提高焊接的强度。

2.1.3 材料表面粗糙度对超声波焊接的影响

增加焊件表面的粗糙度值，可以降低声阻抗，提高超声波焊接质量。研究表明，采用滚制花纹的膜材料比光滑表面的PP膜，焊接后强度可以提高近一倍。

2.1.4 材料湿度对超声波焊接的影响

在南剑等[5]的研究中，使用6组不同的湿度对PA6进行焊接实验，结果表明，随着材料湿度增大，所需的焊接时间不断增加，当湿度高于3.4%时，所需焊接时间虽有所下降，但依然维持较高水平。所以，在实际生产中，焊接作业前要将焊件的湿度控制在较低的水平。特别是对于有吸水特性的材料，比如尼龙、聚砜等，注塑成型后应立即安排进行超声波焊接；若不能及时进行焊接作业，则应将待焊件放在密封环境里或者在超声波焊接前将塑件烘干。

2.2 熔接能量对超声波焊接的影响

焊接作业时，超声波作用于焊接件的接触面，产生每秒几万次的高频震动，达到一定振幅时，通过上焊件把超声能量传送到焊接区域，由于两个焊接交界面处声阻大，故会产生局部高温，而塑料的导热性差，因此热量聚集在焊接区域使得焊件的接触面迅速熔化，在一定压力作用下，焊件融合在一起。超声停止作用后，继续保压一定时间，使其凝固成型，形成了一个坚固的分子链，从而达到焊接的目的，焊接强度 接近原材料。可以看出，熔接能量过大，塑料熔解性大，焊接物易变形，若熔接能量过小，则不易焊牢，因此熔接能量需要有一个适宜值。

式（2）给出了熔接能量计算公式，式（3）给出了功率计算公式，其中：力由气压和下降速度决定，速率由频率和振幅决定。气压由调压阀来调整，下降速度由速度旋钮调节，超声波焊接机一般都有固定的频率，振幅可以通过调幅器和焊头来调整。时间表示焊接机的焊接时间。此外，焊接结束后的保压时间同样影响焊接质量。以上几个参数相互作用得到所需的熔接能量。因此，在超声波焊接作业前，需要根据所选择的焊件材料，合理调整焊接机的工艺参数，见图3，得到合适的熔接能量，完成焊接作业。当首次焊接，不清楚各个参数对焊接质量的影响时，需多次试验调整，最终找到适宜值。

图3 超声波焊接机参数调整

3 前景展望

塑料超声波焊接技术几乎克服了传统固接方式的弊端，具有极好的应用前景。但是由于影响超声波焊接质量的因素较多，对焊接机理的研究相对不足，这就制约了塑料超声波焊接技术的推广与应用。未来应该加强以下2方面的研究：

（1）研究焊接区域的状态，包括熔融区结晶度、取向程度、化学组分等，深入研究超声波焊接机理。

（2）建立焊接设备、工艺参数、常用材料的对应关系规律，减少实验次数，降低生产成本。