超声波焊接原理

超声波塑料装配是使用最为广泛的热塑性塑料连接技术之一，能够生产出永久牢固和美观的接头。超声波塑料装配可分为四大类: (1) 超声波焊接Welding; (2) 超声波铆接Staking; (3)超声波刺穿Spot; (4) 超声波镶嵌Inserting。在这我们将重点研究超声波焊接(Ultrasonic Welding)原理、材料选择和焊缝设计。

超声波焊接原理

超声波焊接利用高频超声波能量(15-50 khz)产生低振幅(1-100μm)机械振动。这种振动传递到部件连接接头处，产生热量，导致热塑性材料熔化，冷却后形成焊缝。超声波焊接是目前已知的最快的焊接技术，焊接时间通常在0.1秒到1.0秒之间。超声波振动在热塑性塑料中产生正弦驻波。部分能量因为分子间摩擦而消散，导致材料温度升高。另一部分被传送到接头处，因边界摩擦产生局部加热。因此，超声波能量的最佳传输路径以及后续接头材料熔化行为，取决于零件的几何形状和材料的超声波吸收特性。振源越靠近焊缝接头，因为材料吸收损失的能量就越小。当振源到接头的距离小于6.4mm时，该过程被称为近场焊接。适用于具有高能量吸收特性的结晶材料和低刚度的材料。当振源到接头距离大于6.4mm时，该过程被称为远场焊接。适用于具有低能量吸收特性的无定形材料和高刚度材料。在接头表面容易产生高温，是因为接头表面“凹凸不平”，比材料本体更容易产生更大的应变和更大的摩檫力。对于许多超声波焊接应用中，在上零件表面有一个三角形凸起，被称为导能筋，该特征有助于在接头处聚集振动能量。

在焊接过程中，超声波振动垂直于接头表面。导能筋上尖点在压力下与被焊接零件接触。在尖点上产生大量的热，导能筋开始熔化。焊接过程可分为4个阶段。第一阶段，导能筋顶部熔化，熔化速度加快，随着接头两侧间隙减少，熔融的导能筋完全铺展并接触下方零件，此时导能筋的熔化速度降低。第二阶段，上下两零件面面接触，熔化区域加大。第三阶段，稳态熔化阶段，形成具有一定厚度的熔融层，也伴随产生恒定的温度场。当过程达到设定的焊接能量，或时间，或距离或其它控制条件时，超声波停止。第四阶段，继续保持压力，一些过量的熔体被挤压出焊缝，零件之间形成分子键连接并冷却。

超声波焊接的优点和缺点

超声波焊接是目前工业中使用最为广泛的塑料连接技术，具有快速，经济，易于集成自动化，非常适合大批量生产作业，生产节拍可高达每分钟60件。焊缝稳定性好，强度高。焊接时间比其它焊接工艺都短，不需要复杂的通风系统来排除烟雾，以及冷却系统排除多余热量。能量利用率高。与其它塑料焊接工艺相比，生产效率更高，成本更低。模具设计相对简单，可实现快速换模，增加了设备的利用率和通用性。因为焊缝中不引入其它辅助焊接材料，所以焊缝干净无杂质，不影响设备的生物相容性，也广泛使用在要求更高的医疗保健行业。超声波焊接的局限性。当产品尺寸超过250mmX300mm，焊头设计困难，无法一次焊接完成。往往要采用多个焊头同步焊接，或者单个焊头多次焊接完成。超声波焊接结果的好坏，与焊缝结构设计、注塑件尺寸误差和变形有很大关系。超声波振动容易对敏感电子部件造成损伤，尽管采用更高频率和降低振幅能够减少这类损伤。