超声波塑料焊接技术

　　塑料是材料领域的后起之秀，世界产量已逾6000万吨，产品用途广泛涉及国计民生的各个方面。为了适应塑料产品装配组合的要求，国外近年开拓了超声波焊接技术。

一、超声波塑料焊接原理

　　超声波是指频率超过人耳听觉上限的振动波，其频率在20000Hz以上。超声波在介质中传递主要靠质点的振动，质点吸收了超声能量，将依次产生位移，并通过惯性在其平均位置振动，因而温度逐渐上升。

　　塑料的超声波焊接就是利用超声波在介质中传递的这一特性。将20-40kHz的超声波高频振动，通过焊接头传递至需焊接的塑料零件上，使塑料件表面之间及内分子之间发生冲击摩擦，导致塑料件两表面接口处温度升高，当温度达到接口处塑料的熔点时，塑料迅速熔化而填充接口间的空隙;当超声波振动停止后，接口处温度随之下降，在一定压力下，空隙间塑料由熔融态变为固态定型，两表面就牢固地合二为一，完成焊接。

　　超声波焊接采用的焊机，具有一个输出高频电流的高频电机，一个磁致式或者压电换能器，可把输出的高频电流转变成高频机械振动，即超声波。焊具，即振幅杆，其功能是把换能器输出的能量增强并集中于工件上。超声波焊接有两种方法，一种是接触焊接，另一种是传动焊接。超声波焊接主要适用于热塑性塑料之间，或热塑性塑料与金属之间的粘接。高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、软质聚氯乙烯等采用接触焊接为好，硬质聚氯乙烯采用传动焊接为好聚苯乙烯、有机玻璃、尼龙等采用上述两种方法均可。

二、超声波塑料焊接好处

　　超声波焊接是通过超声波焊机产生高频振动作用导致材料局部受热熔化，从而把两部分塑料或者塑料与其他材料连接起来的焊接方法。采用超声波焊接有如下好处：

　　①不需要粘接剂;

　　②粘接过程瞬时即可完成;

　　③除粘接部位以外，不会受到焊接热的影响;

　　④形状复杂的制品，也可以焊接;

　　⑤焊接操作简便，没有危险;

　　⑥由于不使用溶剂，避免环境污染。

　　由于具有这些优点，这种焊接技术，日益受到塑料加工行业的重视。目前，在全世界许多工业国家中，它已成为塑料加工中的一项重要工艺。

　　焊接效果的好坏，除了根据塑料品种不同而选择相宜的焊接方法之外，还与焊接功率、焊接时间、焊接压力有关。通常使用的功率大致在瓦之间。所需偶合压力Z大不超过几公斤，焊接时间一般很短，绝大多数是在秒左右。

三、超声波塑料焊接注意事项

　　超声波焊接的特点是热量只集中在焊接部分，焊缝牢固而美观。不论塑料的极性大小，几乎所有的热塑性塑料都可采用超声波焊接，尤其适用于硬度较高的塑料。对异种塑料也可进行超声波焊接。超声波焊接时间短，生产效率高。

　　在塑料超声波焊接的设计和加工过程中，应注意以下几点：

　　1、焊接能力即塑料能否取得良好的焊接，取决于塑料硬度、机械阻尼与温度间的关系及是否为无定形或部分结晶材料。对于“远距离”焊接(焊接面与焊接头之间的距离大于6mm时称为“远距离”焊接或“远场区”焊接，见图1，通过焊接头向与之接触的塑料零件有效传递高频振动是很重要的，而传递本身又由塑料硬度决定，塑料越硬越容易焊接。

　　2、塑件设计时，要考虑到焊接工艺要求，焊接处塑件之间的接触应尽量为点接触或线接触，见图2。

　　3、焊接过程中，为防止塑件偏移，两塑件侧向间隙应小于0.05-0.1mm，见图2及图3。

　　4、焊接头和塑料面之间必须接触良好，否则会产生振动损耗和引起表面伤痕，其时需要在焊接头与塑料面之间插人塑料薄膜以改善接触。

　　5、下方的塑件须用夹具牢靠固定，要避免因木屑及其它杂质或塑件表面不平而引起的塑件与夹具之间的间隙。如有间隙，则可用橡胶、聚氨酷或聚乙烯薄膜等软弹性材料垫实。

　　6、应根据塑料材质和塑件形状及焊接头与焊缝之间的距离来选择Z佳振幅，一般在15-80μm之间选择。

　　7、焊接头施加于塑件上的压力须在试验状态下测试后决定。在焊接良好的情况下，应该尽可能采用低的压力，这可大大减少塑件内部应力的产生，避免焊后塑件开裂。图4为超声波焊接时塑件典型受力曲线，显示出整个焊接过程发生在受力上升期，Z大受力值一般在焊接期后得到。

　　8、焊接速度根据试验确定。如果焊缝需承受较大的负载，则应选择稍慢的焊接速度。

四、超声波塑料焊接机的选择

　　在选购超声波焊机时，应与设备制造厂仔细商定以下几点：

　　1、输出(功率、振幅、压力和热量等)。输出功率一般为400-2000W，根据塑件大小选定;Z高压力在1.96-3.2kN选择;触发压力一般在67-734N，可自行调节。

　　2、焊接头的型式与焊接的塑料零件长度和形状有关;焊接头的材料与焊接的塑料零件材质有关。

　　3、设备传递至焊接头的频率，一般为20kHz。