塑料超声波焊接
要点速览
- 界面处的粘弹性生热——20–40 kHz 振动可在不到一秒内熔化导能筋或剪切接头。
- 无定形树脂易于焊接；半结晶树脂需要剪切接头、近场几何结构和更严格的控制。
- 采用带有规定窗口的塌陷距离模式，是运行和验证该工艺的可靠方式。
- 这是最快、成本最低的焊接方法，受限于颗粒物、焊头压痕以及对振动敏感的内部元件。
塑料超声波焊接
超声波焊接是一种热塑性塑料连接工艺：20–40 kHz、峰峰值振幅 20–120 µm 的机械振动经一个零件传递到接头界面，在此粘弹性热和摩擦热使一薄层聚合物熔化，并在压力下凝固形成焊缝。整个过程不涉及溶剂、胶粘剂或耗材。
其组件为：压电换能器（20 kHz 时约产生 20 µm 振幅）、增益如 1:1.5 或 1:2.5 的变幅杆，以及调谐到同一频率、在气动或伺服压力下压在零件上的焊头。20 kHz 适合较大零件和较高功率；30–40 kHz 适合小型、精细或外观件，因为其振幅、应力和压痕更低。
聚合物具有粘弹性：循环应变通过滞后效应部分转化为热，并集中在最小截面——导能筋顶端或剪切接头的过盈处——熔化在数毫秒内开始。距焊头端面约 6 mm 以内的接头为近场，超出则为远场。无定形树脂传导损耗小，可进行远场焊接；半结晶树脂和弹性体会衰减振动，仅在近场才能可靠焊接。
材料适用性
工艺参数与接头设计
接头设计比任何设置都更具决定性。导能筋是设置在一个配合面上的三角形凸筋，夹角 60–90°、高 0.2–0.6 mm、底宽约为高度的两倍；半结晶树脂应采用 60° 且较高的导能筋，并用台阶或榫槽对零件定位。剪切接头在唇边与壁之间采用 0.2–0.4 mm 的径向过盈、30–45° 的导入角、约为壁厚 1.25 倍的焊接深度，以及能抵抗环向应力的支承夹具。在半结晶树脂中，剪切接头可得到最牢固、最气密的焊缝。
超声波焊接故障排查
超声波与激光、振动摩擦和热板焊接的对比
超声波焊接在循环时间和模具成本上很难被超越，但对于大型、外观要求严格、内含电子元件或对颗粒物敏感的零件则很少合适。透射式激光焊接是常见的替代方案；它需要匹配的树脂对（参见激光透射焊接详解和树脂对与着色剂选择），且接头面间隙须在约 0.1 mm 以内，而超声波对配合较差和任意颜色都有较高容忍度。Sabreen 开发激光焊接工艺，不销售任何设备，并在推荐任一方案之前先运用这一比较。
超声波焊缝的规定与验证
图纸上写“超声波焊接”并不构成任何规定。应说明性能要求、过程窗口，以及证明该窗口能达到性能要求的证据。
- 强度。组件的拉伸强度，或用于材料对筛选的 AWS G1.2M/G1.2 工字梁试样；无定形近场焊缝可达到母材强度的 70–100%。须说明最小值和失效模式。
- 爆破与泄漏。规定最小爆破压力以及压力衰减或氦气检漏的数值限值，而不是“无泄漏”。强度足够的焊缝若有一处 2 mm 的漏焊，同样会泄漏。
- 塌陷窗口。例如 0.35 ± 0.05 mm，并将能量和峰值功率作为每个循环都记录的次要限值；超出窗口的零件予以剔除。
- IQ/OQ/PQ。在 ISO 13485 和 FDA 质量体系法规下：IQ 确认焊机、组件、夹具和实测振幅；OQ 通过对振幅、压力和塌陷量的试验设计来绘制窗口；PQ 以名义参数，由生产操作人员使用生产用树脂运行三个批次。更换焊头、变幅杆或树脂后须重新认证；DVS 2216 涵盖接头设计。
相关术语与延伸阅读
在生产中的应用
The Sabreen Group 为超声波和激光焊接工艺开发、接头设计及焊缝验证提供独立的工程支持。无论您是在制定工艺、认证材料，还是在排查生产问题，我们的工程服务团队都能为您提供帮助。联系我们，探讨您的应用需求。
常见问题
应该采用 20 kHz 还是 40 kHz 焊接？
尺寸大于约 50 mm 的零件、厚壁、半结晶树脂和远场接头需要更大的振幅和功率，应使用 20 kHz。小型、薄壁或外观零件，以及任何内含电子元件的零件，使用 30–40 kHz：振幅和传递的应力减半，压痕减轻，焊头长度也缩短一半。
聚丙烯等半结晶塑料可以超声波焊接吗？
可以，但窗口较窄。它们会衰减振动，因此接头必须位于距焊头约 6 mm 以内，振幅为 60–120 µm，并且应采用剪切接头或尖锐的 60° 导能筋，而不是 ABS 所用的 90° 导能筋。其熔点尖锐，使保压力更为重要。
为什么焊缝通过了拉伸测试却仍然泄漏？
因为强度与连续性是两回事。拉伸测试是整条焊缝的平均结果，只要接头有 90% 完好即可通过，而翘曲零件或焊头不水平造成的一处 2 mm 漏焊就会泄漏。应将泄漏规定为数值限值，采用塌陷模式运行以剔除焊接不足的零件，并在泄漏集中出现时检查焊头平行度。
什么时候激光焊接是更好的选择？
当零件对外观要求严格、内含电子元件、需要无颗粒物的流体通道、焊缝较长或为三维形状，或超出焊头可及范围时。激光没有振动、焊头压痕或颗粒物，代价是更高的设备投入、需要匹配的树脂对，以及接头面间隙须在约 0.1 mm 以内。超声波在循环时间和成本上仍然占优。
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