塑料嵌件的超聲波焊接工藝及常見問題分析

【摘 要】文章介紹鋼件上塑料嵌件的超聲波焊接工藝，通過該結構的超聲波焊接原理，結合產品需求確定焊接工藝及參數，以試驗對比優化焊接過程，總結常見的焊接問題，形成可靠的焊接工藝，為類似結構的超聲波焊接提供工藝思路和方法。

【關鍵詞】塑料嵌件;超聲波焊接;焊接參數;焊接問題

中圖分類號：U465.41 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0075-02

Ultrasonic Welding Process of Plastic Inserts and Analysis of Common Problem

GUO Zhimin，ZHOU Lin，WANG Shijun，DU Wenquan

（Chengdu Huachuan Electric Parts Co.，Ltd.，Chengdu 610106，China）

【Abstract】This article introduces ultrasonic welding process of plastic inserts，confirm the welding process and parameters base on the ultrasonic welding principle of this structure and product requirements，optimize welding process by parameter comparison test，summarize common problems，forming reliable welding processes，provides process ideas and methods for ultrasonic welding of similar structure.

【Key words】plastic inserts;ultrasonic welding;welding parameters;welding roblems

1 超聲波焊接原理及結構

超聲波焊接結構如圖1所示，通過超聲波發生器將50/60Hz電流轉換成15～40kHz高頻電能輸出給換能器的壓電陶瓷，使換能器產生同等頻率的機械振動，隨后機械運動通過一套可以改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭，焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的結合部，在該區域振動能量使2個物體表面相互摩擦，摩擦產生熱能在焊接區域形成分子層之間的熔合[1]，冷卻固化后完成嵌件的焊接，如圖2所示。

本文采用的鋼件材料為高碳鋼，在焊接前表面鍍了一層滌綸樹脂膜，采用特殊的涂層工藝使其附著力良好，產品結構如圖3所示。金屬焊接嵌件時，焊頭采用凸極式的點焊模式，凸極在鋼帶表面摩擦，使金屬局部快速升溫，當溫度超過220℃時，塑料嵌件開始熔化，由于壓力作用開始與金屬表面的塑料形成分子連接，當溫度達到250℃時，兩種塑料零件充分連接，在金屬焊接面形成可靠的粘接力，具體焊接部位剖面圖如圖4所示。

2 超聲波焊接工藝及參數匹配

超聲波焊接功率公式如下：

P=kH3/2δ3/2

式中：P——焊接功率;k——系數;H——材料硬度;δ——焊接零件厚度。

產品選用功率為3kW的常規超聲波焊接設備，足夠滿足工藝需求。

2.1 零件裝配及壓緊

塑料嵌件與鋼帶之間的焊接主要作用是將塑料零件固定，所以需要確保良好的粘接力，同時相對位置也需要保證一致性，通過輔助工裝對產品進行定位以確保焊接位置一致性。將設備的焊頭下降至圖5所示位置，實現對焊接面的壓緊，通常用設備的焊接延遲時間、觸發壓力來達到壓緊目的。

2.2 焊接參數

超聲波焊接主要工藝參數有：頻率、振幅、焊接壓力、焊接時間等[2]。

1）頻率。根據產品結構，超聲波焊接機采用較低的諧振頻率，通過設備的實時頻率搜索，頻率控制鎖定在19.8kHz。

2）振幅。振幅決定了摩擦功的大小，且與材料表面上氧化膜的去除效果、塑料流動狀態以及粘接表面的加熱溫度有關，并不能直接得出，于是需要從較低的振幅逐漸遞增，找到焊接的最佳振幅。振幅與焊接的關系見表1。

通過試驗可以看出，振幅太小，摩擦功不足，焊接面沒有充分熔化，導致焊接強度不足。振幅過大時，焊接時產生了較多的焊渣，塑料嵌件底部變形，由于存在較大的形變和應力，實際的焊接強度也下降了。由此，選用60%左右的振幅比較合適。

3）焊接壓力。焊接壓力為焊頭直接傳遞到焊接零件表面的壓力。當壓力過小時，焊頭與工件的摩擦系數太小，不能在零件表面形成有效的摩擦功，導致加熱溫度不足，產品的熔接程度不足，降低焊接強度[3];當壓力過大時，摩擦系數過大，阻礙了焊頭的振動，導致振幅減小，同樣降低焊接強度。由于不同焊接需要的壓力不相同，也需要通過由小到大遞增的方式進行試驗。最簡單的評估方法是聲音，摩擦時焊頭與金屬之間會產生摩擦聲，一般情況下摩擦聲音越響亮，摩擦功也就越大，塑料嵌件的焊接壓力控制在0.4MPa左右最佳。另外，通過試驗發現塑料嵌件的焊接需要對焊頭的高度進行限位，焊接過程中，摩擦功傳遞到塑料嵌件的能量使塑料熔化的過程中，也可導致嵌件底部與工裝的支撐面變形或者壓塌，所以需要增加下降限位，確保焊頭不能繼續下降。壓力與焊接的關系見表2。

4）焊接時間和焊接能量。焊接時間是將超聲波能量傳輸到焊接零件上的時長，焊接時間越長，焊接能量越大，同樣焊接能量也是靠一定時間將能量完全釋放的過程，這兩種模式都可以用來控制能量的大小。隨著焊接時間的加長，摩擦功在金屬表面產生的溫度就越高。通過試驗，焊接時間控制在0.9～1.1s，能量在300～330J范圍內，焊接效果比較理想，試驗結果見表3。

2.3 固化

焊接后，金屬表面的溫度還比較高，立即將產品取出，由于熔接表面還沒有完全固化，壓力釋放后，焊接部位的強度也會受到影響，甚至出現裂紋或者虛焊的情況。一般的固化時間在0.5～4s內調整，具體的時間可以通過試驗對比法、經驗調整法、廠家設備參考等確定。

3 超聲波焊接品質的優化

在超聲波焊接時，穩定性很重要，連續的生產過程中往往會出現波動，較大的波動甚至會影響焊接的品質。以嵌件焊接為例，由于采用點焊模式，焊接直接決定摩擦功的能量大小，不考慮設備波動影響的情況下，原材料的一致性尤為重要。焊接產品時，靠塑料嵌件的底部做支撐，嵌件凹槽內部做焊接面，這2個面的平行度和平面度非常重要，但是注塑工藝在零件表面會產生脫模斜度，此時設計零件時的脫模斜度應在非焊接面上，以保證焊接面的平面度，如圖6所示。另外塑料嵌件加工出來后，需要放置24h以上，徹底消除塑性應變力的影響。

由于采用的兩點焊接常出現一端焊接牢固，另一端焊接稍差，這主要是焊接時焊點與焊接面的平行度不良，導致2個焊點的壓力不一致，摩擦功傳遞的能量不一致，需要定期校正焊點。通常最簡單的方法是使用水平塊校直焊點高度，將設備調至準備/調試模式（只下壓不焊接），下壓至水平塊上，測量焊點與水平塊之間的間隙，確保焊點平行。如果焊點平整后依然有此問題，塑料嵌件就應該注意安裝的位置和方向，以保證每次的裝配誤差最小。

焊接的穩定性也受環境影響，其中電壓和氣壓的影響最為明顯。如果電壓長期不穩定，需要配置穩壓器。如果氣壓不穩定，可以增加儲氣罐，減少氣壓波動。

4 常見問題分析

在正常焊接過程中，發現焊接合格率大幅下降，檢查工藝過程均未發生改變，主要的原因很可能是塑料嵌件可焊性降低。

1）塑料嵌件受潮后，吸收了空氣中的水分，焊接時由于焊點傳遞的摩擦功沒有變化，但是由于水分的存在，導致焊接面溫度降低，同時表面揮發的水膜也會阻礙塑料分子鏈的形成，導致焊接強度下降，所以焊接前應對塑料嵌件做烘干處理。

2）表面臟污。脫模劑、雜質、油污等對超聲波焊接有一定影響，雖然超聲波焊接時有將加工面的溶劑、雜質、油污等振出的作用，但是對于這種面接觸焊接的塑料零件，其作用很有限，所以應盡可能去除表面的污染，保證良好的可焊性。

3）再生塑料的焊接強度較差，對超聲波焊機適應性很差，所以不建議使用再生塑料。

5 結束語

塑料嵌件的超聲波焊接工藝受多種因素的共同影響，需要從物料特性、物料尺寸、物料存儲及使用環境、設備參數、設備穩定性、設備維護、工裝尺寸等多方面綜合考慮，并需要通過具體的生產情況做相應的優化和調整，才能保證產品可靠的焊接品質。

參考文獻：

[1] 張想，譚偉超，沈鳳梅. 塑料超聲波焊接技術研究[J]. 現代制造技術與裝備，2022，58（1）：115-117.

[2] 張勝玉. 塑料超聲波焊接技術（上）[J]. 塑料包裝，2014（6）：50-54.

[3] 金范植. 淺析超聲波塑料焊接工藝與應用[J]. 中國新技術新產品，2021（13）：87-89.

（編輯 楊凱麟）

作者簡介郭智敏（1984—），男，主要從事電機工藝開發、新產品工藝研發工作。