04 超聲波焊接效果的影響因素

一、塑膠材料因素

上篇已經介紹的适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态，當溫度達到熔點時，整個分子鍊開始移動，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态變為粘流狀态。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，焊縫處容易産生較多的非晶态（無定形）狀态塑料。如當産品在後續使用過程中在高溫下工作時，焊縫處非晶态（無定形）狀态塑料會逐步轉變成半結晶狀态，從而在焊縫處内部産生額外的結晶應力，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）塑膠更适用于超聲波焊接。

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，如熱闆焊接等。

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小（近場焊接）。

4、塑膠中填料的影響

填料如玻璃纖維、滑石粉、雲母等，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不适合超聲波焊接。但在添加玻璃纖維和其它填料後，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，導緻超聲焊接困難。

解決方法：

對于這類填料含量高的塑膠件不适合使用三角導筋或台階焊筋焊接，常常使用剪切縫，在焊接過程中連接界面上會産生類似的塗層動作，使熔融塑料産生更大的流動性，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麼玻璃纖維，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。

生産後的塑膠件，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将加工表面的溶劑、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，加熱後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後馬上進行超聲波焊接。如果不能馬上進行焊接，應該以裝有幹燥劑的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幹。

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。可能會導緻零件表面燙傷和内部裂紋，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

通過超聲産生的能量是瞬時的，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以内。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，特别是要求氣密的産品。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。該小三角形筋将初始接觸限制在非常小的區域，并将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，在壓力的作用下将零件粘合在一起。

2）為什麼需要設計超聲線？

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：有超聲線和無産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後，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，比較适用于半結晶塑料（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，當角度确定時，高度越高，需要熔化的塑料就越多，超過一定高度後，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°）比無定形塑料的小（如90°），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别，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，這裡就不詳細介紹了。

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别的，但在焊接兩種不同材料（材質、強度不同）的特殊情況下，一般是将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

圖：間斷的超聲線

圖：垂直于壁的超聲線

圖：十字交叉超聲線

為了實現水、氣密密封要求，可将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

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，有一定的風險産生溢膠，同時沒有止口限位，容易産生斷差，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（較适用于一些高度較小的端蓋型零件焊接）：

圖1：有内部圍邊自定位，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），溢膠面在内部，外觀無溢膠。圖3：有内外圍邊自定位，斷差得到改善，同時内部和外觀都無溢膠。

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，除了應用在端蓋型産品焊接上，也适用于小型産品，這類産品壁厚本來就小，再切止口容易産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，描述了如何将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後産生的溢出焊接環進行切割、打磨、抛光和清潔等工序後，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，一般的産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：缺點：

尺寸參數設計：

階梯型配合結構常用于壁厚W≥1.5mm的産品零件，這是因為需要留出母止口的寬度，如果壁厚過小，那麼必然導緻焊縫寬度變小，焊接強度就會受到影響。如果壁厚W小于1.5，那麼推薦以下配合結構（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：

缺點：

尺寸參數設計：

同樣地，如果壁厚W小于3mm，那麼推薦以下配合結構。

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範圍内熔化在變回固态，超聲線熔化後還沒來得及與對面塑料接合就開始固化，此時的焊接強度隻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，然後随着向下的壓力作用，垂直壁的幹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：

優點：

缺點：

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。