04  超聲波焊接效果的影響因素

一、塑膠材料因素

上篇已經介紹的適合超聲波焊接的材料選擇，一般情況下兩種材料滿足Tg或熔點接近、化學相容性良好和熔體流動指數接近這三個條件，基本可認為是可焊接的，但需要注意以下幾點：

1、熱塑性塑膠又分為非結晶性（也叫無定形）塑膠和結晶性（或半結晶性）塑膠。

1）對于非結晶性塑膠 ，其分子排列無序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動的溫度（Tg玻璃化溫度）。

2）對于結晶性塑膠 ，其分子排列有序，有明顯的熔點（Tm熔化溫度）和再度凝固點，在溫度達到熔點之前，半結晶塑料始終保持固態，當溫度達到熔點時，整個分子鏈開始移動，塑膠開始融化，如果此時熱量降低，塑膠很快就會凝固。圖3-106顯示了非晶塑料和半結晶塑料的熔化過程之間的差異。

同時，結晶性塑料常常有較高的熔點，需要很高的能量（高熔化熱度）才能把結晶型的結構打斷從而使材料從結晶狀態變為粘流狀態。因此，與非結晶性塑料相比，結晶性塑料更難焊接。為了獲得結晶塑料的更高焊接質量，通常需要考慮更多因素，例如更高的振幅，更短的焊接距離等，且為了集中超聲能量，超聲線的角度設計的更小或采用其他的超聲結構（剪切式）。

焊接過程中，結晶性（或半結晶性）塑料迅速熔化和迅速冷卻，焊縫處容易產生較多的非晶態（無定形）狀態塑料。如當產品在后續使用過程中在高溫下工作時，焊縫處非晶態（無定形）狀態塑料會逐步轉變成半結晶狀態，從而在焊縫處內部產生額外的結晶應力，可能會降低焊接強度。

所以，針對這一點，非結晶性塑膠塑膠比結晶性（或半結晶性）塑膠更適用于超聲波焊接。

2、同一材料之間熔點是相同的，從原理講是可以焊接的，但是當材料的熔點大于350℃時，不建議使用超聲焊接。因為通過超聲波振動效應熔化高熔點的材料需要更久的時間，顯然超聲波焊接效率的優勢就明顯降低，此種情況應該選擇其它焊接工藝，如熱板焊接等。

3、難焊接的材料，除非部件設計可以彌補材料性能對焊接的影響。例如，焊接低儲能模量材料時（如彈性體、聚丙烯和聚乙烯等），焊頭和焊接面之間的距離應該盡可能?。ń鼒龊附樱?/span>

4、塑膠中填料的影響

填料如玻璃纖維、滑石粉、云母等，它們改變了材料的物理特性，塑料中填料的含量與塑料的可焊性和焊接質量密切相關，填料含量低于20%的塑料無需特殊處理即可正常焊接，當填料含量超過30%時，混合物沒有足夠的流動性，不能流入兩側形成更多的粘接區域，因此焊縫表面塑料比例不足，分子間融合不足，焊接強度會降低。

舉例：PPS（聚苯硫醚）是一種半結晶熱塑性塑料，具有陡峭的熔融曲線和較高的熔化溫度（285°C)，其純料PPS不適合超聲波焊接。但在添加玻璃纖維和其它填料后，因PPS混合物剛度大大增加，有助于超聲波振動傳遞，所以可用超聲波焊接。在焊接筋設計合理的條件下，玻纖含量40% PPS可以很容易焊接。然而繼續增加玻纖含量和礦物粉時，因為混合物中樹脂成分含量變低了，導致超聲焊接困難。

解決方法：

對于這類填料含量高的塑膠件不適合使用三角導筋或臺階焊筋焊接，常常使用剪切縫，在焊接過程中連接界面上會產生類似的涂層動作，使熔融塑料產生更大的流動性，因此能夠更容易焊接，同時剪切縫熔化粘接面積較大，所以也有利于密封。

焊接強度的影響：

填料含量高的塑膠件，其焊縫的強度通常比本體材料低得多。因為焊縫上幾乎沒有什么玻璃纖維，所以焊縫強度主要取決于樹脂本身的強度。即便是在焊接純樹脂材料（不含玻璃纖維增強）時，焊縫強度通常也沒有本體材料大。

5、潤滑劑、脫模劑和雜質的影響。

生產后的塑膠件，如果表面殘留潤滑劑或脫模劑，會減少摩擦生熱從而阻礙焊接過程。同時，因雜質進入焊縫，會降低焊縫強度。雖然超聲波再加工時可將加工表面的溶劑、雜質等震開，但對于要求密封、或在高強度的情況下，應盡可能手動去除。在有某些要求的情況下，先清洗塑料件是必要的。

6、塑料吸濕性的影響

如果焊接濕塑料制品，加熱后含有的水分會變成蒸汽，焊接表面會出現氣泡，削弱焊接強度和密封性能。最好的做法是，具有吸水性的塑膠件應該在注塑完成后馬上進行超聲波焊接。如果不能馬上進行焊接，應該以裝有干燥劑的PE袋進行密封包裝；沒有密封包裝的吸水塑膠件，在焊接之前應該進行烘干。

7、除此之外，還有許多其它因素會影響焊接強度：

焊接區域面積。焊線越長，熔融塑料越多，焊接強度越大。但實際上，受注塑精度和治具等因素影響，焊接區域面積會比設計預想的要小很多。

注塑件尺寸精度和質量。注塑缺陷如空隙，會吸收超聲振動，影響能量傳遞?？赡軙е铝慵砻鏍C傷和內部裂紋，以及較低的焊接強度。

二、塑膠件超聲結構的設計

1、超聲結構

通過超聲產生的能量是瞬時的，接縫面積越大，能量分散越嚴重，焊接效果越差，甚至無法焊接。另外超聲波是縱向傳波的，能量損失同距離成正比，遠距離焊接應控制在6cm以內。焊接線應控制在0.3~0.8mm之間為宜，工件的壁厚不能太小，否則不能良好熔接，特別是要求氣密的產品。等等以上這些限制條件說明要達到良好的焊接效果，必須要設計合理的超聲結構。

1）超聲線的含義

超聲線，叫法很多，也可以叫焊接線，超聲筋，焊接筋，導熔線，導能線，能量導向器等等。超聲線的主要特征是在其中一個配合表面上模制出一個 90° 或 60° 的小三角形筋。該小三角形筋將初始接觸限制在非常小的區域，并將超聲波能量集中在三角形的頂點。在焊接過程中，集中的超聲波能量使三角形筋首先熔化，熔化的塑料在焊縫區域流動，在壓力的作用下將零件粘合在一起。

2）為什么需要設計超聲線？

a）縮短焊接時間 ，當超聲能量一定時，有超聲線的設計需要熔化的體積小且能集中能量，比無超聲線的設計熔化時間要少，同時，焊接時間的縮短有助于避免塑膠件長時間焊接而引起的過焊問題，也避免焊頭與塑件件接觸處損傷問題。

圖：有超聲線和無產生線的焊接時間對比

b）降低成本 ，有超聲線的設計，需求的超聲波能量降低，焊接時間縮短，振幅可以調小，不良品率降低，從而可以降低成本。

c）減小溢料，提高外觀效果 ，而無超聲線的設計，熔化的塑料直接溢出到外觀；有超聲線的設計，其熔化的塑料會首先填滿焊縫，溢料少，通過合理的超聲線及配合結構設計后，可避免外觀面溢膠風險。

3）超聲線的基本設計

a）超聲線的角度θ ，最常用的為90°和60°，60°的超聲線比90°具有更尖頂部，比較適用于半結晶塑料（如PA、PBT、、PE、PP和PPS等）以及高熔化溫度的無定形塑料（如PC和PSU等）；90°的超聲角度通常應用于易于焊接的樹脂（無定形塑料，例如 ABS、SAN、PMMA和PS等）。

b）超聲線的高度h ，當角度確定時，高度越高，需要熔化的塑料就越多，超過一定高度后，即使再多的熔化塑膠參與連接，焊接強度也不會明顯增強了，因熔化更多塑料，需要更多的超聲波能量，會帶來其他問題，因此超聲線的高度h不能過高，對于無定形塑料一般建議取0.3~0.6之間；對于半結晶塑料建議取0.5~1.0（因為半結晶塑料通常采用的超聲線角度（如60°）比無定形塑料的?。ㄈ?0°），為了保證超聲線有相當的體積，半結晶塑料的高度取值會大些）

以下為無定形塑料和半結晶塑料的取值區別，其中h的取值與塑膠部件外形大小有關外，也與塑膠部件的壁厚有關。

c）超聲線的寬度b，超聲線的截面一般為等腰三角形，寬度值b可以通過角度θ以及高度h換算出來，這里就不詳細介紹了。

d）超聲線的布置 ，原則上超聲線設置在哪一邊的塑件熔接面上是沒有任何分別的，但在焊接兩種不同材料（材質、強度不同）的特殊情況下，一般是將超聲線設置在熔解溫度和硬度較高的那一邊的塑件焊接面上（即建議把超聲線設計在與超聲波焊頭接觸的塑件焊接面上），使得超聲波能量能被更好地傳遞到焊接面上。

e）超聲線的類型

• 封閉的超聲線 ，此類超聲線具有完整的、連續的、不間斷的超聲線，能提供足夠的焊接強度，同時也可實現水密、氣密等密封要求，由于超聲線與壁平行，非常適用于實際的外殼產品。

  

  圖：封閉的超聲線

• 間斷的超聲線，如果只是需要實現一定強度的連接，無水、氣密封要求，那么通常采用間斷的超聲線，這類超聲線需求更少的能量，比較容易焊接。

  

圖：間斷的超聲線

• 垂直于壁的超聲線，此類導熔線垂直于壁，可以用于提高焊接的抗剝離力以及減少溢膠。不過實際應用中由于壁一般還需設計止口，導致每個超聲線長度很小，所以不常用。

圖：垂直于壁的超聲線

• 十字交叉超聲線，此類超聲線綜合平行于壁和垂直于壁的超聲線，在兩個焊接塑膠件上均設置互相垂直交叉的超聲線線，以在焊接時提供最小的初始接觸面積，同時使得兩個零件上的更多的塑料能夠熔合為一體。十字交叉型焊接能夠提高超聲波焊接強度，縮短焊接時間和減小焊接功率，但容易產生斷差和溢膠。

圖：十字交叉超聲線

為了實現水、氣密密封要求，可將垂直于壁的超聲線設計為無間隙的連續的鋸齒形。

圖：十字交叉鋸齒形超聲線

• 鑿子型超聲線，當塑膠件壁厚小于1.5mm時，常規的超聲線可能會較小，造成焊接強度不夠，可使用鑿子型超聲線，如圖所示。鑿子型超聲線的高度h為0.38 ~0.50mm，角度為45°；鑿子型超聲線位于臺階的內側，可確保焊接時不會脫離狹小的焊接界面，另外還可以使得溢膠遠離產品外觀開口區域。

圖：鑿子型超聲線

4）超聲波焊接的配合結構

a）普通型

在實際的應用中，普通的超聲波焊接配合結構較簡單，存在一定的缺陷，有一定的風險產生溢膠，同時沒有止口限位，容易產生斷差，不能很好滿足外觀要求。(下圖為普通型超聲波焊接配合結構的簡圖，超聲線的尺寸可按上述介紹參考設計)

為了解決溢膠和斷差問題，以下有三種改善結構 （較適用于一些高度較小的端蓋型零件焊接）：

圖1 ： 有內部圍邊自定位，斷差可以得到一定改善，但是還是存在在外觀面溢膠風險。

圖2 ： 有外部圍邊自定位，斷差得到改善（即使有在外觀上也不明顯），溢膠面在內部，外觀無溢膠。

圖3 ： 有內外圍邊自定位，斷差得到改善，同時內部和外觀都無溢膠。

這種普通的超聲波焊接配合結構，其優點是，由于不在外壁上設計止口，壁厚均勻性好，因此，除了應用在端蓋型產品焊接上，也適用于小型產品，這類產品壁厚本來就小，再切止口容易產生應力痕等外觀缺陷。比如，在蘋果公司的專利中，發現一項“無縫一體式結構”的專利，描述了如何將不同的零件焊接在一起以獲得無縫的外觀。

具體是對超聲波焊接后產生的溢出焊接環進行切割、打磨、拋光和清潔等工序后，可以制造出具有無縫、更美觀的“一體成型”外觀的耳機。

但是蘋果公司的設計成本高，一般的產品還是回歸常規設計，以下介紹幾種較常用的超聲波焊接配合結構。

b）階梯型

階梯型由于是在單止口的基礎上設計的，所以也叫單止口型。

優點：

• 配合面采用止口式設計，可實現自定位，減少零件在焊接過程橫向移動，減小外觀斷差，通過設計美工線，即使有輕微變現，斷差也不明顯。
• 如有溢膠產生，也是在產品內側產生，不會在產品外側殘留，保證外觀質量。
• 階梯形配合結構對塑膠零件的公差要求寬松（相對于凹槽型和剪切型）

缺點：

• 焊接強度一般（比普通型高，但低于凹槽型和剪切型）
  
• 可實現一般的水、氣密封效果，但無法承受較大的壓強。

尺寸參數設計：

• 超聲線的尺寸參數（高度和角度）可按上述要求設計；
• 止口配合間隙a，此間隙必須要有，否則焊接下壓過程有可能受影響，a取值范圍0.05-0.2，小產品取小值，大產品取大值；
  
• 母止口的寬度b，受焊縫的寬度影響，焊縫越寬，焊接的區域就越大，強度越高，具體應根據實際要求而定，b的取值通常為w/3，且需≥0.6，否則存在注塑問題；
• 母止口的高度c，如果母止口的寬度b過小，那么c就不能太高，否則由于壁厚不均勻，外觀容易出現應力痕，c的取值通常與b相對應，可取w/3，且最好需≥0.6；
• 公母止口預留間隙d，等于超聲線高度h+美工線高度（0.2-0.5）。

階梯型配合結構常用于壁厚W≥1.5mm的產品零件，這是因為需要留出母止口的寬度，如果壁厚過小，那么必然導致焊縫寬度變小，焊接強度就會受到影響。如果壁厚W小于1.5，那么推薦以下配合結構（也就是上述介紹過的鑿子型超聲線結構）。

c）凹槽型

凹槽型由于是在雙止口的基礎上設計的，所以也叫雙止口型。

優點：

• 配合面采用雙止口設計，在實現自定位的同時，能提供較好的斷差控制作用，美工線可做可不做，根據具體產品情況而定；
• 熔化的塑料會填充滿止口底部和側面的間隙，基本無溢膠產生，外觀和內部質量良好；
• 由于止口底部和側面的間隙都可以填充熔化塑料，且焊縫受周圍冷空氣流動的影響小，熔化的塑膠分子有更多的時間互相融合，因此能提供較大的焊接強度。
• 非常適合應用于具有水、氣密封性的產品，能適應更大的壓強。

缺點：

• 對塑膠零件注塑精度要求高，兩側間隙大則導致焊接效果減弱，兩側間隙小干涉會導致焊接失敗（主要指水、氣泄漏）。
• 對塑膠零件的壁厚有要求（最好≥3mm），太小的壁厚無法設計雙止口。

尺寸參數設計：

• 超聲線的尺寸參數（高度和角度）可按上述要求設計；
• 止口配合間隙a，此間隙必須要有，否則焊接下壓過程有可能受影響，a取值范圍0.05-0.2，小產品取小值，大產品取大值；
  
• 母止口的寬度b，受焊縫的寬度影響，焊縫越寬，焊接的區域就越大，強度越高，具體應根據實際要求而定，b的取值通常為w/3，且需≥0.6，否則存在注塑問題（另外，也可考慮外側母止口的寬度b比內測大些，內測膠厚可往里偏）；
• 母止口的高度c，如果母止口的寬度b過小，那么c就不能太高，否則由于壁厚不均勻，外觀容易出現應力痕，c的取值通常與b相對應，可取w/3，且最好需≥0.6；
• 公母止口預留間隙d，等于超聲線高度h+美工線高度（0.2-0.5），美工線可做可不做；
• 止口導向斜度β，便于裝配和焊接，一般取3-5°。

同樣地，如果壁厚W小于3mm，那么推薦以下配合結構。

d）剪切型

在焊接如PA、POM、PP、PBT等某些半結晶塑料時，采用以上的焊接配合結構可能達不到預期的效果，這是因為半結晶塑料在相對狹窄的溫度變化范圍內熔化在變回固態，超聲線熔化后還沒來得及與對面塑料接合就開始固化，此時的焊接強度只能由三角形的寬度區域決定，顯然焊接強度就會低。

針對此類塑膠，推薦采用剪切型焊接結構，如下圖。

焊接過程： 首先是熔化前端開始接觸的小面積區域，然后隨著向下的壓力作用，垂直壁的干涉部分開始受到剪切作用熔化，熔化的塑料在兩個空隙窄小的垂直壁界面之間流動，空氣很難進去到兩界面之間的溶解區域，避免塑料過早凝固，同時剪切作用有利于熔融塑料分子與塑膠熔合，從而取得更高的焊接強度。

尺寸參數設計：

• 止口配合間隙a，此間隙必須要有，否則焊接下壓過程有可能受影響，a取值范圍0.05-0.2，小產品取小值，大產品取大值；
  
• 母止口的寬度b，為了保證側壁的強度，b的取值不能過小，至少為2w/3；
• 導入口深度c，為了更好實現焊接，導引深度至少1mm；
• 公母止口預留間隙d，等于焊接深度h+美工線高度（0.2-0.5），美工線可做可不做；
• 焊接深度h，焊接強度取決于焊接深度，焊接深度一般建議是壁厚W的0.75倍，一般經驗認為，當焊接深度達到0.8-1.5mm，焊縫處的焊接強度與周圍壁本體相當，若焊接強度要求超過周圍壁本體的接強，建議焊接深度為壁厚W之1.25倍。
• 剪切量（干涉量）e，剪切量的多少與熔化的塑料量有關，間接與焊接強度有關。常規設計如下：

優點：

• 配合結構類似止口設計，可實現自定位，減少零件在焊接過程橫向移動，減小外觀斷差，通過設計美工線，即使有輕微變現，斷差也不明顯。
• 焊縫受周圍冷空氣流動的影響小，熔化的塑膠分子有更多的時間互相融合，因此能提供較大的焊接強度。
• 焊縫具有優異的氣密性，能適應更大的壓強。

缺點：

• 外觀面有可能出現一些溢膠；
• 剪切需要的焊接時間是其他超聲線設計的 3-4 倍，因為要焊接大量的樹脂。
  
• 不易保證一周一致的剪切量，這會影響到焊接強度和密封性。
  
• 上下塑膠件的強度必須足夠大，底部焊接零件必須通過焊接治具進行支撐，治具需要緊靠在零件的四周，否則在焊接過程中易產生變形。
• 上下塑膠件的尺寸精度要求高，否則焊接區域變形會導致剪切量不均勻，以及焊接失。
• 以上缺點限制了剪切型焊接結構一般只適用于外形規則的小產品，大產品很難控制。

剪切型焊接結構可以和凹槽型焊接等結構配合使用，如下圖。

以上，未完待續。。。

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