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摘要：超声波焊接技术具有高速、高效和高自动化等优点，广泛应用于各领域中的各种塑料制品、塑料结构件、精密金属、集成电路等的焊接。本文主要介绍超声波塑料焊接的应用技术。
关键词：超声波、塑料焊接、应用技术
1、前言
随着塑料工业的迅速发展，大量的工程塑料被广泛运用于机械电子工业中的仪表框架、面板、接插件、继电器、开关、塑料外壳等等设计制造中。这些塑料结构件均需用超声波塑料焊接工艺，此工艺不仅操作简单、安全可靠，焊接强度高于本体，而且不需添加任何溶剂、粘结剂及其它辅助品，焊接速度快，降低了产品成本，提高了经济效益。
3、超声波焊接的应用技术
按照超声波的应用方式分类，可分为：熔接、铆接、铆接、嵌入、成型、除水口、点焊。
3.1 熔接
对一般塑料零件的焊接，在对接面须有一能量导向部分（通常为截面为三角形），以使焊接质量达到最佳状态。在导向部分熔化后的塑料应足够分布于结合面之间，对于易焊的塑料材质，能量导向部分最小高度为0.25mm，对于某些需要高能量的树脂，即结晶、低刚度或高熔点的非晶树脂，如聚碳酸酷等需要较大的能量导向部分，其最小高度为0.5mm。能量导向部分不要设计成45°的斜面，不然会造成未全部焊接或在焊缝处产生大量余料溢出，造成外观极不美观。
对于便于对齐的阶梯式连接适用于在侧面不宜有过多的熔体或溢料的场合。对于适用超声波焊接的各种基本能量导向连接法，这些可作为典型连接部分的参考，对具体应用可略作修改。对于需要严密封接时所用的剪切连接法，特别适用于结晶树脂，因为结晶树脂从固态到熔化改变迅速，温度范围窄，能量导向式连接就不是最佳方法，原因来自导向部分的熔融树脂在它能与相结合的表面熔合之前会迅速凝固，但用剪切连接法是先熔化较小的开始接触区，然后沿垂直壁熔化阻碍部分，使二零件焊接在一起。对于中间壁连接，最好采用榫槽连接法，这种连接对于大零件也有用（图一）。
3.2 铆接
超声波铆接是一种使带有圆柱或凸台的塑料溶化或成型来固定另外的零件（简称对手件）的组装方法,如印刷电路板或金属组件。
塑料圆柱或凸台从对手件的孔中穿过，并高于其他零件的平面。在焊接过程中，高频振动的超声波焊头先接触圆柱或凸台的顶端，至上而下开始熔化，被熔化的塑料填充到对手件上形成一个蘑菇头，该蘑菇头有效地固定对手件。达到连接两个零件的目的（图二）。
超声波铆接的优势在于，周期短（很多案例小于1秒钟）、固定后不会出现回弹、效率高，可以一次铆接多个凸台、塑料件的设计简单、不需要螺钉等耗材。
图2 铆接（Staking）
3.3 嵌入
嵌入是将金属部件通过超声波嵌入热塑性材料部件的过程。嵌入孔的尺寸需要略小于嵌入物的尺寸，而且嵌入孔需要设计一定角度的干涉，以此来为嵌入物提供导向作用。金属嵌入物的外表面通常会设计齿纹，以增强嵌入物的抗拉强度。
超声波振动通过焊头接触于金属嵌入物，使其发热传递到给塑料件的嵌入孔，导致嵌入孔干涉的部分塑料熔化并流入嵌入孔的底部与嵌入物的齿纹中，当这部份塑料固化后，金属嵌入物即被固定于塑料件的嵌入孔中（图三）。
超声波嵌入不受嵌入物类型的限制。许多其他类型的应用，例如：眼睛框的铰链、机器螺钉、螺杆、金属垫片、唇膏管的金属内壳、圆销、金属轴、金属网、金属屏等等。
3.4 成型
通过使用超声波能量熔化塑料并成型一个山脊去固定对手件的方式成为成型。超声波能量通常是塑料形成一个多样化的管状，成型技术不仅应用于圆形截面而且可以应用于其它的外形截面。成型在焊头接触塑料时，能量使塑料熔化并流向焊头的型腔内，塑料冷却后即被塑造成需要的外形（图四）。该工艺对塑料材料的性能有一定要求，较软的塑料比硬的材料容易成型。塑料材质包括：聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、纤维素塑料等等。
图3 嵌入(Insertion)
图4 成型（Swaging and Forming）
超声波成型工艺有许多优势：周期比传统的热铆短、没有像冷成型的内应力出现、克服材料原有的分子链、焊头仅仅在焊接周期时才激活（节能）。
3.5 除水口
通过超声波能量作用于注塑模产品的水口（流道口）的有限区域，使注塑模产品与其流道分离的工艺被称为除水口。当超声波能量激活致横截面很小的水口时，由于高温激活了塑料分子间的摩擦，致使注塑产品和流道在水口处发生断裂。除水口特别适用于硬质热塑性塑料，如聚苯乙烯（PS）、尼龙（PA）等等。软质热塑性塑料在除水口后的断面一致性较差（图五）。
超声波除水口的优势：效率高，周期短（小于1秒）、断面清洁、便于进行自动化改造。
3.6 点焊
超声波点焊是一种对没有设计成型孔和能量筋的两个热塑性塑料的组装技术。点焊适用于强度要求较高、体积大的部件，挤出成型和热塑性材料部件的连接，几何学复杂与焊接表面难以到达的部件连接，大多数的热塑性材料都使用适用点焊工艺。
移动点焊的焊嘴至截面端部，远端的塑料被熔化并流动到具有环形圆弧的焊头型腔，在塑料件表面形成一个凸起的环形台阶。从而连接上下塑料件。标准的塑料件结构要求远端塑料件的圆形台阶的直径是其材料厚度的3倍，远端伸出台阶的高度是其材料厚度的1.5倍。（图六）
图5 除水口（Degating）
图6 点焊（Spot Welding）
超声波点焊形成一个清洁的熔接区域，一侧的外观面不受影响，另一侧是整洁的环形凸台，过程快速，不需要额外的紧固件。因此在汽车的扰流板和仪表台广泛使用。
4、结语
超声波焊接是最常用的塑料焊接方法，超声波焊接区域的热量增加是机械振动的吸收、连接区振动(波)的反射及零件表面的摩擦综合作用的结果。超声波焊接具有清洁、环保无害、焊接速度快、焊缝强度高、容易实现自动化、适合于大批生产等优点，是各行各业大批量生产首选的塑料焊接方法。
参考文献：
[1]张胜玉.塑料焊接在汽车工业上的应用[J].塑料，2004，33(6):89-94.
[2]张胜玉.热塑性复介材料及其焊接[J].纤维复合材料，2000(4):4548.
论文作者:王永胜
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/15
标签：超声波论文; 塑料论文; 水口论文; 点焊论文; 能量论文; 导向论文; 金属论文; 《基层建设》2016年11期论文;