塑膠超音波焊接
重點摘要
- 在界面產生黏彈性加熱——20–40 kHz 的振動可在不到一秒內熔融導熔筋或剪切接合。
- 非晶性樹脂容易焊接；半結晶性樹脂則需要剪切接合、近場幾何設計與更嚴謹的管制。
- 以載明時間窗的塌陷距離模式運作，是穩健執行與驗證此製程的方法。
- 這是最快速、成本最低的焊接方法，但受限於微粒、焊頭壓痕，以及對振動敏感的內裝物。
塑膠超音波焊接
超音波焊接是一種熱塑性塑膠接合製程：20–40 kHz、峰對峰振幅 20–120 µm 的機械振動，經由其中一個零件傳遞至接合界面，在該處以黏彈性與摩擦生熱熔融一層薄薄的聚合物，並在壓力下凝固而形成焊接。過程不涉及溶劑、黏著劑或耗材。
其組件包括：在 20 kHz 下可提供約 20 µm 的壓電換能器、增益如 1:1.5 或 1:2.5 的增幅器，以及調諧至相同頻率的焊頭，焊頭以氣動或伺服力壓在零件上。20 kHz 適用於較大的零件與較高的功率；30–40 kHz 適用於小型、精密或外觀件，因為振幅、應力與壓痕都較低。
聚合物具有黏彈性：週期性應變會因遲滯而部分轉為熱，並集中在最小的截面，也就是導熔筋尖端或剪切接合的干涉處，熔融在數毫秒內即開始。距焊頭端面約 6 mm 以內的接合屬近場，超過則為遠場。非晶性樹脂傳遞損耗小，可遠場焊接；半結晶性樹脂與彈性體會衰減振動，僅能在近場可靠焊接。
材料適用性
製程參數與接合設計
接合設計的影響比任何設定都大。導熔筋是設在其中一個配合面上的三角形肋條，夾角 60–90°、高 0.2–0.6 mm、底寬約為高度的兩倍；半結晶性樹脂請採用 60° 及較高的規格，並以階差或榫槽來定位零件。剪切接合則採用唇緣與壁面之間 0.2–0.4 mm 的徑向干涉、30–45° 的導入角、約為壁厚 1.25 倍的焊接深度，以及能抵抗環向應力的治具。在半結晶性樹脂中，剪切接合可提供最強且最具氣密性的焊接。
超音波焊接的故障排除
超音波與雷射、振動及熱板焊接的比較
超音波在週期時間與模具成本上很少有對手，但對於大型、外觀要求嚴苛、內含電子元件或對微粒敏感的零件則很少是合適之選。穿透式雷射焊接是常見的替代方案；它需要配對的樹脂組合（請參見雷射穿透焊接詳解與樹脂組合與色料選用），且接合面間隙須在約 0.1 mm 以內；超音波對較差的配合度及任何顏色皆可容許。Sabreen 的工程師開發雷射焊接製程，不銷售設備，並在建議任一方案之前先進行此項比較。
超音波焊接的規格訂定與驗證
圖面上寫「超音波焊接」等於什麼都沒有規定。請載明性能要求、製程中的時間窗，以及證明該時間窗確能達成要求的證據。
- 強度。 組件的拉伸強度，或用於材料組合篩選的 AWS G1.2M/G1.2 工字梁試片；非晶性近場焊接可達母材強度的 70–100%。請載明最小值與失效模式。
- 爆破與洩漏。 最小爆破壓力，以及數值化的壓力衰減或氦氣洩漏限值，而非「不得洩漏」。焊接強度再高，只要有一處 2 mm 的漏焊，仍會洩漏。
- 塌陷時間窗。 例如 0.35 ± 0.05 mm，並將能量與峰值功率作為次要限值，每個週期均予記錄；超出時間窗的零件予以拒收。
- IQ/OQ/PQ。 依據 ISO 13485 與 FDA 品質系統法規：IQ 確認焊接機、組件、治具與實測振幅；OQ 以實驗設計對振幅、壓力與塌陷繪製時間窗；PQ 則以標稱值，使用生產作業人員與生產用樹脂，運行三個批次。更換任何焊頭、增幅器或樹脂後須重新驗證；DVS 2216 涵蓋接合設計。
相關術語與延伸閱讀
實際應用於生產
The Sabreen Group 為超音波與雷射焊接的製程開發、接合設計與焊接驗證提供獨立的工程支援。無論您是要訂定製程規格、驗證材料，或排除生產問題，我們的工程服務團隊都能協助。歡迎聯絡我們，討論您的應用需求。
常見問題
應該用 20 kHz 還是 40 kHz 焊接？
零件大於約 50 mm、壁厚較厚、使用半結晶性樹脂，以及遠場接合時，請用 20 kHz，這些情況需要較大的振幅與功率。小型、薄壁或外觀件，以及任何內含電子元件的零件，請用 30–40 kHz：振幅與傳遞的應力減半、壓痕較少，焊頭長度也只有一半。
聚丙烯及其他半結晶性塑膠可以超音波焊接嗎？
可以，但時間窗較窄。它們會衰減振動，因此接合處必須位於焊頭約 6 mm 以內，振幅為 60–120 µm，且應採用剪切接合或尖銳的 60° 導熔筋，而非 ABS 所用的 90° 導熔筋。它們的熔點明確而尖銳，使保壓力的影響更大。
為什麼焊接通過拉伸測試卻仍會洩漏？
因為強度與連續性是兩回事。拉伸測試是對整條焊縫取平均值，只要 90% 的接合完好即可通過，但因零件翹曲或焊頭不水平所造成的一處 2 mm 漏焊就會洩漏。請將洩漏訂為數值限值，採用塌陷模式以拒收焊接不足的零件，並在洩漏集中出現時檢查焊頭的平行度。
何時雷射焊接是更好的選擇？
當零件的外觀要求嚴苛、內含電子元件、需要無微粒的流體通道、焊縫長或為三維形狀，或超出焊頭可及範圍時。雷射不會產生振動、焊頭壓痕或微粒，代價是資本支出較高、需要配對的樹脂組合，且接合面間隙須在約 0.1 mm 以內。超音波在週期時間與成本上仍佔優勢。
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