01  金屬的焊接

焊接：是通過(guò)加熱或加壓，或兩者同時(shí)并用，并且用或不用填充材料，使兩個(gè)分離的物體產(chǎn)生原子間結(jié)合力而連接成一體的技術(shù)。

焊接的分類(lèi)有很多種，如下圖：

傳統(tǒng)意義上的焊接通常是指金屬的焊接。金屬焊接方法有40種以上，如果根據(jù)焊接過(guò)程進(jìn)行分類(lèi)，主要分為熔焊、壓焊和釬焊三大類(lèi)。

1、熔焊，是在焊接過(guò)程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時(shí)，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動(dòng)，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。

2、壓焊，是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱(chēng)固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對(duì)焊，當(dāng)電流通過(guò)兩工件的連接端時(shí)，該處因電阻很大而溫度上升，當(dāng)加熱至塑性狀態(tài)時(shí)，在軸向壓力作用下連接成為一體。

3、釬焊，是使用比工件熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于工件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕工件，填充接口間隙并與工件實(shí)現(xiàn)原子間的相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接的方法。

圖：焊接的分類(lèi)

02  塑膠的焊接

實(shí)際上，不止金屬可以焊接，塑膠也可以焊接，塑膠焊接的關(guān)鍵步驟就是首先需要把塑膠材料軟化，根據(jù)軟化的方式的不同，塑料焊接方法可分為通過(guò)外加熱源軟化、機(jī)械運(yùn)動(dòng)軟化、電磁作用軟化三種。

1、外加熱源

采用外加熱源方式軟化的焊接技術(shù)：熱板焊接、熱風(fēng)焊接、熱棒和脈沖焊接；

2、機(jī)械運(yùn)動(dòng)

采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式軟化的的焊接技術(shù)：摩擦焊接、超聲波焊接；

3、電磁作用

采用電磁效應(yīng)作用軟化的焊接技術(shù)：高頻焊接、紅外線焊接、激光焊接；

以上三種軟化方式雖然具體的形式不一樣，但是本質(zhì)是一樣的，就是通過(guò)加速塑膠內(nèi)部分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生熱量而使得塑膠得到軟化。

以上塑膠焊接的方法中，應(yīng)用最多的是超聲波焊接，這是因?yàn)槠溆蟹浅８叩暮附有剩暡ê附拥恼麄€(gè)過(guò)程在短短幾秒完成，與其他焊接方式相比，無(wú)需事先加熱工具，也無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間等待接頭固化或干燥。

03  超聲波焊接的原理

超聲波：是指頻率超過(guò)人耳聽(tīng)覺(jué)范圍上限（20000Hz）的聲波。由于其頻率高，因而具有許多特點(diǎn)：首先是功率大，其能量比一般聲波大得多，因而可以用來(lái)切削、焊接、鉆孔等。

圖：超聲波的頻率范圍

超聲波焊接所用的設(shè)備是超聲波焊接機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成如下圖：

圖：超聲波焊接機(jī)的組成

塑膠超聲波焊接的過(guò)程：

首先，超聲波發(fā)生器將50 Hz或60 Hz電能轉(zhuǎn)換成 20~40 kHz的電能，被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過(guò)換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機(jī)械振動(dòng)，由于此時(shí)的機(jī)械振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生足夠的振動(dòng)能量來(lái)使得塑膠件的焊接部位產(chǎn)生熱量融化，隨后機(jī)械振動(dòng)再通過(guò)一套可以改變振幅的變幅器，機(jī)械振動(dòng)的振幅被放大并傳遞到焊頭。

圖：超聲波焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

然后，焊頭將接收到的高頻振動(dòng)傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區(qū)域即兩個(gè)焊接的交界面處由于振動(dòng)引起摩擦，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫，由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，當(dāng)溫度達(dá)到此塑膠件本身的熔點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，熔化的塑膠填充于接口間的空隙，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，形成牢固的結(jié)合。

圖：塑膠焊接結(jié)合的過(guò)程

超聲波焊接的優(yōu)缺點(diǎn)：

在實(shí)際應(yīng)用中使用超聲波焊接工藝有幾個(gè)吸引人的好處；但是，在使用超聲波焊接工藝之前必須了解這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1、優(yōu)點(diǎn)：

1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在幾秒之內(nèi)完成；

2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時(shí)省去了大量夾具、粘合劑或者機(jī)械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經(jīng)濟(jì)的塑膠件裝配方式；

3)強(qiáng)度高。超聲波焊接幾乎可以達(dá)到塑膠件本體強(qiáng)度的80%以上，在一些應(yīng)用上甚至可以與注塑成型相媲美；

4）不改變塑料狀態(tài)，超聲波塑料焊接是一種固態(tài)工藝，可以通過(guò)精確控制，振動(dòng)產(chǎn)生的高溫只會(huì)熔化塑膠而不會(huì)過(guò)度加熱導(dǎo)致降解，停止工作后會(huì)迅速冷卻固化，有助于保持塑料在連接前表現(xiàn)出的原始材料特性。

5)合理的塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得超聲波焊接達(dá)到一定程度的水密或氣密效果；

6)表面質(zhì)量好，焊點(diǎn)美觀，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫焊接；

7)工序簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接；

8)品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產(chǎn)；

9)超聲波焊接過(guò)程清潔，無(wú)需其他粘合劑，能源和材料效率高。

2、缺點(diǎn)：

1）超聲波焊接機(jī)的初始投資相對(duì)昂貴；

2）超聲波塑料焊機(jī)需要定制焊頭以及工裝，適應(yīng)性差；

3）零件大小和形狀的限制，中小型的塑膠件適合超聲波焊接，常用的超聲波焊接機(jī)有尺寸限制（通常長(zhǎng)度<250mm），形狀太過(guò)于復(fù)雜（主要指焊接區(qū)高度方向），焊接質(zhì)量難以保證；

4）超聲波焊接是不可拆卸性連接，無(wú)法像螺絲卡扣等連接方式一樣進(jìn)行反復(fù)拆卸。一旦兩個(gè)零件過(guò)超聲波焊接裝配成一體，之后如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在質(zhì)量問(wèn)題，那么也無(wú)法進(jìn)行返工。

5）超聲波焊接會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)對(duì)塑膠某些應(yīng)力集中部位產(chǎn)生不利影響（開(kāi)裂），同時(shí)振動(dòng)也可能會(huì)對(duì)內(nèi)部裝配的電子元器件產(chǎn)生一定程度的傷害。

6）超聲波焊接對(duì)塑膠材料有一定的局限性，

超聲波焊接并不能夠焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超聲波焊接一般僅適合于—種或者相似塑料之間的焊接。

那些材料適合超聲波焊接？

• 熱塑性材料：熱塑性分子呈線性或支鏈結(jié)構(gòu)，經(jīng)加熱、軟化、熔化后可制成一定形狀的塑料件，冷卻后可保持成型，使塑料具有可焊接性。
• 彈性體：由寬網(wǎng)狀分子鏈組成，一旦熱量減少，它們就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)彈性體為軟性材料，容易吸收振動(dòng)，因此很難通過(guò)超聲波焊接。 
• 熱固性樹(shù)脂：熱固性塑料在加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，分子主鏈與化學(xué)鍵結(jié)合，最終成為一種不熔化的物質(zhì)，這意味著無(wú)法焊接。

熱塑性塑料是超聲波焊接的理想材料，因?yàn)檫@種材料在高溫下不會(huì)形成不可恢復(fù)的分子聯(lián)結(jié)鍵，可以在重新加熱后重塑，熱塑性塑料還包括兩種類(lèi)型：非結(jié)晶塑料和半結(jié)晶塑料，非結(jié)晶聚合物的分子排列是隨機(jī)的，沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，非結(jié)晶聚合物具有高效的能量傳遞，因此只需少量能量即可熔化，半結(jié)晶聚合物的分子排列非常有序，具有重復(fù)的結(jié)構(gòu)特性，有一個(gè)非常確定的熔點(diǎn)，半結(jié)晶聚合物熔化需要高溫，吸收大量熱量，比半結(jié)晶聚合物焊接困難。

衡量不同熱塑性材料的可焊性需要考慮 Tg、化學(xué)相容性和熔體流動(dòng)指數(shù) (MFI)。

a）通常，兩種不同塑料的 Tg 應(yīng)在 6℃ 以?xún)?nèi)，它們?cè)诔暡ㄕ駝?dòng)下受熱熔化的時(shí)間差不大，可焊性高。

b）化學(xué)相容性是一個(gè)復(fù)雜的話題，歸結(jié)為聚合物中自由基的比例。當(dāng)兩種材料中的這些值相似時(shí)，就存在兼容性。簡(jiǎn)單可以理解為不同塑料混合加工時(shí)候的性能，相容性好的，不同塑料就會(huì)熔在一起，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生分析鍵，反之就會(huì)分離。例如，雖然聚乙烯和聚丙烯看起來(lái)非常相似，但它們?cè)诨瘜W(xué)上不相容，不能焊接在一起，ABS 到 ABS 零件會(huì)兼容，ABS 和亞克力零件通常是兼容的，等等。

c）熔體流動(dòng)指數(shù) 是衡量塑料在轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)流動(dòng)的難易程度，為獲得最佳效果，待焊接的塑料應(yīng)具有相似的 MFI。

綜合以上3個(gè)因素考慮，各塑膠材料之間的超聲波可焊接性如下圖：

注意：綠色表示可焊性好；橙色表示可焊性一般；白色表示難焊或不可焊

以上未完待續(xù)。。。