影响超声波焊接成功的五个因素

　　超声波焊接的基本原理是将高频电能转化为高频振动的机械能。这种往复振动传递到热塑性塑料或金属，在塑料、塑料和金属之间或金属之间的界面上引起摩擦和热量。

　　在超声波焊接中，摩擦产生的热量使两种材料的表面熔合在一起。在超声波铆接中，焊接头控制熔融塑料的流动方向，形成和压制零件。在超声波螺母镶嵌中，金属螺母由焊接头打入塑料中。

　　超声波焊接系统有多种配置选择，包括不同频率(15Khz-50Khz)、不同功率(600W-4800W)、多种形式，如气动超声波焊接机、伺服超声波焊接机、手持式焊接机、非标焊接机、金属超声波焊接机等。

　　影响超声波焊接成功的因素还有很多：模具(包括上焊头和下底模)、频率、材料、焊缝设计、焊接参数、零件注射成型。本文介绍了五个主要因素。

　　1.焊接系统频率

　　典型的超声波焊接系统的频率为15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根据产品尺寸、内部部件类型、强度和外观的要求选择合适的焊接频率。一般来说，我们可以参考以下原则：

　　对于小型精密电子产品(包括PCB和微电子元器件)的外壳焊接，采用高频40Khz焊机。40Khz焊机幅度较小，焊接压力最小，可避免损坏产品内部电子元器件。

　　对于有A类表面外观要求的小产品。用40Khz焊机焊接时，由于振幅和压力较小，外观可以得到改善。

　　大中型零件的焊接应采用低频15Khz或20Khz焊机。

　　15Khz低频大振幅焊机用于焊接PP等软质材料和刚性差的薄壁零件。

　　对于远场焊接，即当焊接头距离焊接位置较远时，例如12mm以上，采用15Khz低频大振幅焊机进行焊接。

　　20Khz焊机适用于中小尺寸的大部分产品焊接，也是目前应用最广泛的超声波频率。

　　2.材料

　　塑料的超声波焊接只适合焊接热塑性塑料。因为它们可以在特定的温度范围内融化。然而，热固性塑料在加热时会降解，不能用超声波焊接。

　　热塑性塑料的可焊性取决于刚度或弹性模量、密度、摩擦系数、热导率、比热容、玻璃化转变温度Tg或熔化温度Tm。

　　一般来说，刚性好的塑料由于更容易传递振动能量，所以表现出优异的远场焊接性能。低弹性模量的软塑料，由于衰减了超声振动，所以很难焊接。对于超声波铆接或点焊，相反，塑料越软，越容易铆接或点焊。一般来说，塑料可以分为非晶态和晶态。超声波能量在非晶材料中很容易传递，所以非晶塑料很容易被超声波焊接。但是超声波能量在晶体材料中不易传递，所以焊接晶体塑料时需要更大的振幅和能量，焊缝要精心设计。

　　能进一步影响焊接性的因素包括含水量、脱模剂、润滑剂、增塑剂、填充增强剂、颜料、阻燃剂和其他添加剂，以及实际的树脂等级。此外，还要注意不同材料之间的不同相容性。某些等级的材料在一定程度上是相容的，而另一些则是不相容的。

　　最后考虑焊接是近场焊接还是远场焊接。当焊头与焊肋之间的距离小于6mm时，称为近场焊接。大于6mm的称为远场焊接。距离越大，振动衰减越大，焊接越困难。

　　3.焊接接头的设计

　　影响超声波焊接的最关键和最重要的因素是接头设计。当零件处于设计阶段时，工程师应该仔细考虑和评估它们。焊接接头的设计有很多，各有特点和优势。设计的选择取决于塑料类型、零件几何形状、焊接要求、注射成型能力和外观要求。

　　典型接头设计：

　　三角形能量传导肋的设计。这是超声波焊接中最常用的设计，也是最容易注塑成型的设计。其特征是平面上有一个小的凸三角形，三角形的顶部呈90度或60度。由于其尖点设计易于引导和集中振动能量，故称为能量传导肋。

　　阶梯缝设计易于注塑成型，上下可自行定位，焊接强度高，熔融物料流入垂直间隙。

　　槽缝设计，上下可自行定位，具有强度高、密封性能好的特点，内外无溢出。缺点是需要一定的壁厚。

　　剪切接头设计通常用于焊接要求高强度密封的小型产品，尤其是焊接结晶塑料。

　　嵌接接头通常用于圆形或椭圆形零件，具有高强度和高密封性能，特别适用于焊接结晶塑料。

　　(以上焊缝设计的详细说明将在后续文章中介绍)。

　　为了确定哪种焊接设计适合您的产品，请咨询超声波制造商工程师或销售人员。

　　4.工具和焊接头

　　一般来说，客户会选择与焊接机相同品牌的工装和焊接头。其实你可以自由选择其他品牌提供的工具和焊头，只要焊头频率和设备一样。

　　焊接头材料可选自铝合金、钛合金和硬质合金钢。模具材料可以是铝合金、不锈钢和树脂模具。如何选择材料，一般要考虑塑料的种类、玻璃纤维含量、接头结构和尺寸、焊接强度和使用寿命。比如为了延长使用寿命，硬质合金焊头就是最好的选择。超声变幅杆可以通过有限元分析(FEA)进行设计和优化，使工程师能够在实际制造前评估变幅杆的振动和应力。焊头的最佳设计是输出幅度均匀，应力最小。上图左图是优化前的喇叭设计，幅度输出不均匀。右边优化后输出幅度均匀。

　　在焊接头的设计和制造中，必须仔细记住——焊接头的对称性非常重要。不对称喇叭导致非轴向振动。径向振动会大大增加应力，导致焊头失效。

　　好的工装设计也很重要。工装主要有两个作用：(1)对准焊头下的零件；(2)刚性支撑焊接区。刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊缝位置，这也是金属工件通常用于工装的原因。

　　为了提高焊接头的耐磨性和使用寿命，焊接头的表面可以进行碳化钨或镀铬处理。工具可以分段设计，以更好地适应产品。

　　5.焊接参数

　　在焊接过程中，焊接参数会影响焊接结果。这些参数包括振幅、焊接压力、触发压力、焊接距离和焊接能量。

　　不同类型的塑料需要不同的振幅。幅度可以通过软件中的百分比设置进行微调，也可以通过更换不同比例的幅度调制器进行大范围调整。焊接压力可以通过旋钮或软件设置来调节。触发压力是指当焊头压下产品后压力达到一定设定值时，设备开始发射超声波，可以通过旋钮或软件设置进行调整。

　　超声波焊接过程有几种控制模式：

　　时间焊接模式，即设置超声波焊接的持续时间。

　　距离焊接模式(位置焊接模式)，即设置焊接距离或位置。

　　能量焊接模式，即设置焊接能量。

　　不同的焊接方式适用于不同产品的焊接。比如薄板焊接采用能量焊接方式，尺寸公差大的产品采用距离焊接方式，公差要求高的产品采用位置焊接方式。

　　此外，如果你愿意，你可以监控焊接过程中的所有参数，并设置合格零件的间隔，以避免意外的缺陷零件。

　　塑料超声波焊接是一种特殊的工艺。在产品开发初期，应与超声波设备供应商合作，利用该领域设备制造商的经验，对产品结构和焊缝设计进行评估，并对样品进行焊接试验。从而提高后续量产的良率。