塑料超声波焊接的研究

塑料超声波焊接的研究

许春晓

长城汽车股份有限公司河北省保定市071000

摘要：与其他连接工艺相比，超声波焊接具有能耗低、无污染、焊接时间短、效率高、连接处强度高、工艺质量稳定和成本低廉等优点，对于表面质量要求较高的装饰件和薄壳类零部件连接，超声波焊接点的表面平整度远高于其他焊接方法，这使得超声波焊接工艺几乎不会对产品整体的外观水平和美观性产生负面影响。本文简述了塑料超声波焊接技术，并研究了塑料超声波焊接影响参数，希望能给相关操作人员以借鉴，促进焊接效果及质量的提升。

关键词：塑料；超声波焊接；研究

1超声波焊接概述

超声波焊接是目前使用最为广泛的高分子材料连接方法。超声波焊接技术发明于1956年，首先被应用于金属材料的连接，通过对金属焊接件施加横向超声波振动而在焊接面上产生大量的摩擦热而达到焊件之间的连接。在60年代末，美国、英国、瑞士、日本等国家对超声波焊接进行了深入研究并开始应用于高分子材料的连接。超声波焊接是利用高频振动波（20-40kHz）传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦生热从而形成分子层之间的熔合。超声波焊接有两种方式，一种是近场焊接（焊接界面与焊头的距离小于6mm），一种是远场焊接（焊接界面与焊头的距离大于6mm）[59,60]。所有的热塑性材料都可以通过近场焊接，而远场焊接中材料需要能够传递超声波而不发生明显的超声波衰减。半结晶高分子材料，如高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺和聚酯，由于焊接过程中需要大量能量用来破坏晶型以及克服分子间的扩散，使其难以用超声波来焊接，尤其在远场焊接中。影响超声波焊接的两个重要因素是焊接时间和振幅，半晶型材料的焊接时间一般比非晶高分子材料长。

2塑料的超声波焊接特性

只有热塑性塑料才能超声波焊接，因为热塑性塑料受热熔化再固化后，物理和化学特性前后不变。热塑性塑料又分为结晶性塑料和非结晶性塑料。结晶性塑料有明显的熔点，固体时分子呈规则排列。规则排列区域称为晶区，无序排列区域称为非晶区，晶区所占的百分比称为结晶度，通常结晶度在80%以上的聚合物称为结晶性塑料。常见的结晶性塑料有：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚甲醛POM、聚酰胺PA6、聚酰胺PA66、热塑性聚酯PBT等。常见的非结晶性塑料有：ABS、聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、硬质PVC等。从能量消耗角度而言，非结晶性塑料没有明确的熔点，塑料熔化所需超声波能量较少。随着焊接区域温度的上升，材质有高弹态逐渐向粘流态转变，并且能在较宽温度范围内熔化并逐渐凝固。而半结晶性塑料有确定的熔点且需要较高的熔融热，与非结晶性塑料相比，在焊接过程中需要更高的超声波能量和振动振幅。尼龙6（PA6）和尼龙66（PA66）具有良好的绝缘性能，是连接器产品中最常用的材料。但是尼龙的吸水性对焊接不利，所以加玻璃纤维（GF-GlassFiber）的尼龙超声波焊接性能更好。另外，尼龙在受热过程中会突然水化，即由固态瞬间转变成液态，熔体流动的边界不可控，焊线结构设计时要特别注意！

3塑料超声波的影响因素研究

3.1焊接材料对焊接质量的影响

超声波焊接一般用于焊接热塑性塑料，应用超声波的特性对塑料进行焊接，高分子材料可以分为柔性材料、刚性材料以及高分子材料。柔性材料即质地较软、弹性较差的材料；刚性材料指的是高弹性、质地较硬的材料以及低振动阻尼的原料；高分子材料则包括高分子薄膜、纤维、高分子布料等材质，是塑料超声波焊接中最佳的焊接材料。如果不同焊接材料的基本焊接参数控制出现出入，则会导致焊接质量出现问题，同时，焊接材料表面的阻力、焊接面与焊接头的距离差距也会产生焊接质量的偏差。如焊接材料阻力的提升可以有效减少抗阻，提升焊接质量，有研究表明，高阻力的焊接材料其焊接性能要比低阻力焊接材料的焊接性能高出一倍。同时有实践记载，当材料焊接面与焊接头距离与半波长值相吻合时，焊接的效果最好。超声波在塑料中以纵向波的形式传递，纵向波的高点与半波长并行，越接近半波长，超声波传递的能量越多，焊接效果越好。

3.2焊接时间对试件焊接质量的影响

超声波焊接中可控工艺参数包括超声波振幅、延迟时间、焊接时间和保压时间等，通过控制这些参数可以对超声波能量进行调节，提高异种材料焊接强度。1#、2#和3#组试件的焊接时间分别为0.1、0.2和0.3s，其他工艺参数均相同。由下图1可知，随着焊接时间的增加，试件所能承受的最大拉力表现为先升高后下降的趋势。这是因为，随着焊接时间的增加，超声波产生能量作用于焊接区域的时间增长，即作用于焊接区域的总热能增加，有利于提高异种材料的相容性，增加焊接强度。但是，焊接时间过长会使连接处发生焊接过度，试件接触区域的表面形貌较差，碎屑较多，对材料的焊接强度产生负面影响。

3.3焊接面连接模式影响焊接质量

业内最基础的平面搭接是使焊接元件紧密接触，在焊接时，材料没有空间流涎形成部分应力区，影响焊接强度，导致焊材较为脆弱，容易开裂、氧化降低焊接质量。导能筋用于加强能量传递，减少焊接时间，降低应力集中提升工作效率及焊接质量。导能筋的形状不同，其导能筋对焊接质量的影响要素也不同，如三角形导能筋焊接强度大但在压力过大时会发生变形且三角导能筋的角度对焊接效果也有一定的影响。最后连接的材料也会影响焊接质量，因此要不断提升焊接材料的柔软度以及熔融度，从而用于焊接不同材质的材料。

4塑料超声波焊接的应用

传统的电阻焊接方式在焊接时向线束输送大电流，导致线束金属温度急剧升高，直至熔融状态，从而破坏了金属固有的原子排列结构，导致焊接点的电阻显著升高，在电气传输过程中这个焊接点的电压降明显增大，不利于能量和信号的传输。同时也会导致焊接点的金属被氧化，从而使得焊接点容易发生脆性断裂。超声波线束焊接则是通过焊头将超声频率(超过人耳所能听到的声音频率)的机械振动能量施加在金属线束上，同时在金属线束上施加一定的压力，从而使得金属材质在一定的温升下产生原子之间的相互渗透和扩散，最终形成稳定的结合层实现线束之间的结合。而且超声波焊接的温升很有限，远远没有达到金属的熔点，所有金属固有的原子排列结构没有被破坏，焊接点保持金属导体特性，电阻基本没有变化，电压降小到可以忽略不计。同时因为金属固有的原子排列结构没有被破坏，金属线束的机械强度也就没有任何损失。同时超声波线束焊接相比传统的电阻焊接，由于不需要通过大电流促使金属温升到熔融状态，焊接时间大大缩短(一秒以内)，焊接效率显著提升，焊接过程既快速又节能。焊接过程不会产生火花和烟尘，既安全又环保。

5结束语

总而言之，现阶段我国超声波焊接技术被广泛应用与各个领域，技术也在不断的实践中逐渐成熟，不同焊接工艺其对参数都有极高的要求，因此要在焊接前控制好参数，并在未来阶段进行不断的探索研究，提升塑料焊接质量。

参考文献：

[1]李维冰,原庆芳,陶采芹,孙婧,迟广秀.塑料工业滤毒罐的结构设计与超声波焊接[J].国防制造技术,2016,04:33-37.

[2]韩以伦,杜新业,田延芳,丁道山.超声波焊接在汽车发动机罩盖上的应用设计[J].机械设计与研究,2015,3101:96-98+101.

[3]李建存.基于超声波焊接技术的C_f/PA6复合材料、6061铝合金粘接接头的质量检测与修复[D].郑州大学,2018.