塑料超聲波焊接技術(shù)理論分析

塑料超聲波焊接技術(shù)

　　摘要：超聲波焊接是最常用的塑料焊接技術(shù)，在塑料加工業(yè)久享盛譽(yù)。由于焊接速度快、低能耗、焊縫質(zhì)量一致性與再現(xiàn)性好，該技術(shù)是包裝、汽車(chē)、醫(yī)療、電氣、電子、家用器具行業(yè)大批量生產(chǎn)應(yīng)用的首選焊接技術(shù)。本文論及超聲波焊接原理及過(guò)程、焊接設(shè)備、工藝參數(shù)、特點(diǎn)、應(yīng)用、派生方法、最新進(jìn)展，著重對(duì)焊接性、接頭設(shè)計(jì)進(jìn)行了概括和總結(jié)。

　　 前言塑料超聲波焊接技術(shù)由美國(guó)瓊斯等人于1956年首次提出。60年代美國(guó)、瑞士、德國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)便開(kāi)始研究這種焊接技術(shù)并開(kāi)始投入實(shí)際應(yīng)用。近幾十年以來(lái)，隨著塑料及復(fù)合材料大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中以及電子工業(yè)的飛速發(fā)展和新型大功率換能器的出現(xiàn)，塑料超聲波焊接以其焊接速度快、焊縫質(zhì)量好、易于自動(dòng)化、適合于大批生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)得到了極為廣泛的應(yīng)用并成為最常用的塑料焊接方法。

    1．超聲波焊接機(jī)原理及過(guò)程超聲波焊接的基本原理是利用超聲頻機(jī)械振動(dòng)( 頻率為10到70KH z，振幅為1到250m m ) 于塑料零件，使其在壓力下產(chǎn)生局部加熱( 發(fā)熱是由于表面和分子間摩擦綜合作用的結(jié)果) 和熔化而形成焊縫。

　　 如圖1所示，超聲波焊接過(guò)程分為以下四個(gè)階段：

　　 第一階段焊頭與零件接觸，施壓并開(kāi)始振動(dòng)。摩擦發(fā)熱量熔化導(dǎo)能筋，熔液流入結(jié)合面。隨著兩零件之間距離的減少，焊接位移量( 兩零件之間由于熔體流動(dòng)產(chǎn)生的距離減小值) 開(kāi)始增加。起初焊接位移量快速增加，然后在熔化的導(dǎo)能筋鋪展并接觸下零件表面時(shí)放慢增速。在固態(tài)摩擦階段，發(fā)熱是由于兩表面之間的摩擦能和零件中的內(nèi)摩擦產(chǎn)生的。摩擦發(fā)熱使聚合物材料升溫至其熔點(diǎn)。發(fā)熱量取決于作用頻率、振幅和壓力；

　　第二階段熔化速度增加導(dǎo)致焊接位移量增大及兩零件表面相接觸。此階段形成薄的熔化層，由于持續(xù)發(fā)熱，熔化層厚度增加。此階段的熱量是由粘性耗散( vi scous di ssi pati on)產(chǎn)生；

　　第三階段焊縫中溶液層厚度保持不變且伴隨著恒溫分布，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熔化；第四階段在經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間或達(dá)到特定的能量、功率級(jí)或距離之后，電源切斷，超聲振動(dòng)停止，開(kāi)始

　　 進(jìn)人第4階段。壓力得以保持，使部分額外熔液擠出結(jié)合面。在焊縫冷卻和凝固時(shí)達(dá)到最大位移量，并發(fā)生分子間擴(kuò)散。圖1超，± i 波焊接過(guò)程4階段

     2．超聲波焊接設(shè)備如圖2所示，超聲波焊接設(shè)備由壓力機(jī)、發(fā)生器、換能器、變幅桿、焊頭和零件支撐工裝等組成。

　　　超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器的作用是將工頻( 50或60H z)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電壓。微處理器經(jīng)由用戶界面控制焊接循環(huán)和反饋關(guān)鍵焊接信息給用戶。用戶界面也允許操作人員輸入所需的焊接參數(shù)。

　　 焊接套件( w el di ng stack) ／聲能系統(tǒng)焊接套件提供超聲機(jī)械振動(dòng)，一般由換能器、變幅桿、焊頭三部分組成，在變幅桿中部固定在焊接壓力機(jī)上。焊接套件是有點(diǎn)類(lèi)似音叉的諧振器。焊接套件的諧振頻率必須緊密匹配來(lái)自發(fā)生器的電信號(hào)的頻率( 相差少于30H z) 。

　　 換能器通過(guò)逆壓電效應(yīng)將來(lái)自于發(fā)生器的超聲頻電壓轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲機(jī)械振動(dòng)。它由夾于兩金屬( 通常是鈦) 塊之間的若干壓電陶瓷片組成。片與片之間有一薄金屬板形成電極。在正弦電信號(hào)經(jīng)由電極提供給換能器時(shí)，壓電片膨脹和收縮，產(chǎn)生15—201xm 的軸向峰到峰運(yùn)動(dòng)。換能器是精密設(shè)備，應(yīng)小心處理。

　　 變幅桿有兩個(gè)作用。其主要作用是放大換能器端部產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)并將振動(dòng)傳給焊頭。另一作用是提供固定套件于焊接壓力機(jī)上的位置。在換能器施加超聲能量時(shí)，變幅桿也膨脹和收縮。與焊接套件中的其它零件一樣，變幅桿是調(diào)諧裝置，因而它也必須在特定頻率共振以便將超聲能量從換能器傳至焊頭。為了有效地發(fā)揮作用，變幅桿必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。一般為半波長(zhǎng)。

　　  焊頭是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。與變幅桿一樣，焊頭也是調(diào)諧裝置，在大部分應(yīng)用中也提供機(jī)械放大，焊頭的長(zhǎng)度必須是超聲波在其制造材質(zhì)中的半波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。這保證焊頭端部有足夠的振幅實(shí)現(xiàn)焊接。振幅一般為30—120um 。待焊零件和接頭設(shè)計(jì)決定焊頭尺寸和式樣。焊頭的形狀至關(guān)重要，因?yàn)楹割^的軸向膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)在高振幅情況下造成開(kāi)裂。在某些應(yīng)用中，焊頭加工有多個(gè)軸向狹槽。這是為了確保最大振幅位于縱向。焊頭端部將超聲能量傳給待焊零件。端部應(yīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)以匹配零件來(lái)確保焊頭和零件之間實(shí)現(xiàn)最大能量傳遞。通常焊頭端部做成匹配零件輪廓的型材。約75％的焊頭是由鈦制成，約15％由鋁制成，其它焊頭由H RC54—56的淬硬鋼制成。鈦質(zhì)輕、硬度適當(dāng)、韌性好、聲學(xué)性能優(yōu)是理想材料，常用于小焊頭，鈦還可涂硬質(zhì)合金用于高磨損場(chǎng)合。但是其價(jià)格昂貴，難以機(jī)加工。鋁質(zhì)輕、容易加工、聲學(xué)性能好、成本低，用于制作大零件焊接時(shí)的大焊頭和原型焊頭或需復(fù)雜加工的焊頭。鋁焊頭由于表面硬度低、容易磨損、疲勞性能差，不適合于長(zhǎng)期生產(chǎn)應(yīng)用，常用于小批量應(yīng)用。為防止產(chǎn)生壓痕和減少磨損，鋁必須鍍鎳或鉻。在需耐沖擊或耐磨以及焊接填充塑料或者埋植金屬嵌件時(shí)，需用鋼焊頭。鋼焊頭疲勞強(qiáng)度低，只用于低振幅場(chǎng)合。復(fù)雜零件、特型的或大尺寸零件通常需要復(fù)合式焊頭( 子母焊頭) ，這時(shí)基底焊頭采用鋁質(zhì)，鈦或鋼次級(jí)焊頭與基底焊頭相連并引導(dǎo)能量。

　　 壓力機(jī)用于固定焊接套件及旌加焊接所需的作用力。它由固定工裝夾具的底座和施加作用力的氣缸組成。壓力機(jī)上帶有壓力表和調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)焊接作用力。應(yīng)該注意的是某一超聲波焊接設(shè)備上設(shè)定的特定表壓與另一設(shè)定同一表壓的焊機(jī)提供的焊接作用力不一定相同。焊接作用力應(yīng)該用測(cè)壓儀校準(zhǔn)以便對(duì)不同焊機(jī)之間的焊接作用力進(jìn)行直接比較。壓力機(jī)上也有流量控制閥可以對(duì)焊頭接近待焊零件的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。有些焊接設(shè)備采用電磁力加壓系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的氣缸，能更好地控制接近速度，在焊接小型或精密零件時(shí)是有益的?！?

   支撐工裝壓力機(jī)底座固定焊接過(guò)程中支撐零件的工裝。支撐工裝是為防止下部零件在超聲波作用時(shí)發(fā)生移動(dòng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它通常加工成緊密匹配零件表面輪廓的形狀。夾具從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的都有，由零件設(shè)計(jì)來(lái)決定。下部零件必須受到牢固放置和支撐。夾具或底座應(yīng)可調(diào)確保零件垂直于焊頭。夾具可由若干材料加工而成。不銹鋼是最佳選擇，因?yàn)樗菀讬C(jī)加工和拋光。特型夾具現(xiàn)在可直接經(jīng)由CAD 數(shù)據(jù)加工。較大的、復(fù)雜的、奇形怪狀的或小批量零件通常采用澆注型軟質(zhì)聚氨酯裝夾。

    3．超聲波焊工藝參數(shù)超聲波焊接主要工藝參數(shù)有：振幅、焊接時(shí)間、保壓時(shí)間、焊接壓力、頻率等。

　　  最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設(shè)備而定。焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點(diǎn)和焊接接頭之間的距離。

　　 焊接能力受到塑料傳遞超聲振動(dòng)能力( 且零件不受到損傷) 的限制。

　　 超聲波常用的頻率有20、30、40kH z，15kH z常用于半結(jié)晶性塑料。20kH z是最常用的超聲波頻率，因?yàn)檫@一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達(dá)到，但它可能產(chǎn)生大量難以控制的機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生較少振動(dòng)的較高頻率( 40kH z) 是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強(qiáng)聚合物。

　　 高頻率焊接設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)包括：噪聲小、零部件尺寸小、增強(qiáng)零件保護(hù)( 由于減少循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱) 、提高機(jī)械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點(diǎn)是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)焊接。較高頻率超聲波焊機(jī)通常用于焊接小型、精密零件( 如電氣開(kāi)關(guān)) 及材料降解需較少的零件。

　　   對(duì)于15kH z的焊機(jī)能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20kH z焊機(jī)焊接時(shí)的材料降解少。用20kH z勉強(qiáng)能焊的零件( 尤其是那些由高性能工程樹(shù)脂加工成的) ，用15kH z能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長(zhǎng)諧振長(zhǎng)度，在所有維度可以做得更大。采用15kH z的另一重要優(yōu)點(diǎn)是同使用較高頻率相比，大大降低了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料及更大的遠(yuǎn)場(chǎng)距離。振幅成功焊接取決于焊頭端部的適當(dāng)振幅。對(duì)于所有變幅桿／焊頭組合，振幅是固定的。根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得適當(dāng)程度的熔化。一般說(shuō)來(lái)，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅?，F(xiàn)代超聲波焊機(jī)上的過(guò)程控制允許分階。高振幅用于開(kāi)始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會(huì)改善剪切接頭設(shè)計(jì)零件的焊縫質(zhì)量。對(duì)于對(duì)接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質(zhì)量提高且焊接時(shí)間減少。在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率( Q avg) 取決于材料的復(fù)合損耗模量( E” ) 、頻率( ( 1) ) 和作用應(yīng)變( e0) ：Q 。。g=‘ 1)￡02E’ ’ ／2熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān)。在達(dá)到熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在加熱開(kāi)始后，焊接界面處的溫度急升( 達(dá)1000℃／s) 。作用應(yīng)變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過(guò)改變振幅來(lái)控制焊接界面的加熱。

　　 振幅是一個(gè)控制熱塑性塑料擠壓流動(dòng)速率的重要參數(shù)。高振幅時(shí)，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生大量飛邊及焊縫強(qiáng)度較低。高振幅對(duì)于開(kāi)始熔化是必需的。太低的振幅產(chǎn)生不均勻的開(kāi)始熔化和過(guò)早的熔體凝固。當(dāng)增加振幅時(shí)，更大量的振動(dòng)能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應(yīng)力。在整個(gè)焊接循環(huán)過(guò)程中振幅恒定時(shí)，通常采用的是對(duì)待焊零件不至于產(chǎn)生過(guò)量損害的最高振幅。對(duì)于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以機(jī)械調(diào)節(jié)( 通過(guò)更換變幅桿或焊頭)或者電氣調(diào)節(jié)( 通過(guò)改變提供給換能器的電壓) 。在實(shí)踐中，較大振幅調(diào)節(jié)采用機(jī)械方式而微調(diào)用的是電氣方式。高熔點(diǎn)材料、遠(yuǎn)場(chǎng)焊縫及半結(jié)晶性塑料通常需要比非結(jié)晶性塑料和近場(chǎng)焊縫更大的振幅。非結(jié)晶性塑料典型的總振幅范圍是30—100肛m ，而結(jié)晶性塑料為60—125斗m 。振幅分階(am pl i tude profi l i ng) 能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熔體流動(dòng)和一致的高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于開(kāi)始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向。

　　  焊接時(shí)間焊接時(shí)間是施加振動(dòng)的時(shí)間。每一用途合適的焊接時(shí)間由試驗(yàn)確定。增加焊接時(shí)間會(huì)提高焊縫強(qiáng)度直至達(dá)到最佳時(shí)間為止。進(jìn)一步增加焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低或者只是稍稍增加強(qiáng)度，而與此同時(shí)會(huì)增加焊縫飛邊和提高產(chǎn)生零件壓痕的可能性。避免過(guò)焊是很重要的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生需修整的過(guò)量飛邊，這可能降低焊縫質(zhì)量，在需密封接頭的零件中產(chǎn)生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長(zhǎng)焊接時(shí)間時(shí)在遠(yuǎn)離接頭區(qū)域的零件部分還可能出現(xiàn)熔化和斷裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

　　  保壓時(shí)間是指焊后零件在無(wú)振動(dòng)壓力下結(jié)合和凝固的標(biāo)稱時(shí)間。在大部分情況下，它并不是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，0．3到0．5秒一般足夠了，除非內(nèi)載荷易于拆開(kāi)焊接零件( 如焊前壓縮的螺旋彈簧)。

　　 壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動(dòng)傳人零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時(shí)，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對(duì)于良好焊接是必不可少的。如果壓力過(guò)低，會(huì)造成能量傳遞差或不足的熔體流動(dòng)，導(dǎo)致不必要的長(zhǎng)時(shí)間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會(huì)減少實(shí)現(xiàn)相同位移所需的焊接時(shí)間。如果壓力過(guò)高，會(huì)造成沿流動(dòng)方向的分子取向及降低焊縫強(qiáng)度，可能產(chǎn)生零件壓痕。極端情況下如果相對(duì)于焊頭端部振幅來(lái)說(shuō)壓力過(guò)高，可能會(huì)過(guò)載、使焊頭停止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。隨著振幅的增加，可接受的壓力范圍變窄。因此高振幅時(shí)最重要的是找到最佳壓力。大多數(shù)超聲波焊接是在恒壓或恒力下進(jìn)行的。對(duì)于某些裝置，循環(huán)過(guò)程中力是可以改變的，即進(jìn)行力分階( N reel i ng) ，在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環(huán)后期下降的焊接壓力或作用力減少了從接頭處的材料擠出量，延長(zhǎng)分子間擴(kuò)散時(shí)間，減低分子取向并提高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于有較低熔體粘度類(lèi)似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強(qiáng)度。

　　  焊接模式按時(shí)間焊接稱之為開(kāi)環(huán)過(guò)程。待焊零件在焊頭下降和接觸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固定時(shí)間，通常是0．2—1秒。這個(gè)過(guò)程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假設(shè)固定的焊接時(shí)間導(dǎo)致固定量的能量作用于接頭，產(chǎn)生可控量的熔化條件下的理想情況。實(shí)際上，從一個(gè)循環(huán)到下一循環(huán)保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個(gè)因素造成的( 如兩零件之間的配合) 。因?yàn)槟芰侩S功率和時(shí)間而變化，時(shí)間固定，施加的能量從一個(gè)零件到下一零件會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于一致性非常重要的大批量生產(chǎn)，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反饋控制的閉環(huán)過(guò)程。超聲波機(jī)器軟件測(cè)量吸收的功率并調(diào)節(jié)加工時(shí)間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個(gè)過(guò)程的假設(shè)是如果每道焊縫消耗的能量相同，接頭處熔化材料的數(shù)量每次是相同的。然而實(shí)際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。結(jié)果，某些零件可能比其它零件獲得更多的能量，可能造成焊縫強(qiáng)度不一致。按距離焊接允許零件按特定的焊接深度連接。這種模式運(yùn)作不取決于時(shí)間、吸收的能量或功率，補(bǔ)償模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保證了每次在接頭中熔化相同數(shù)量的塑料。為了控制質(zhì)量，可以對(duì)形成焊縫所用的能量或所花的時(shí)間設(shè)定限度。