塑膠原料超聲波焊接效果分析 塑膠焊接助劑

超聲波是指頻率超過人耳聽覺上限，即大于20000Hz，的一種聲波，它具有方向性好、穿透力強等特點。

超聲波能夠獲取較為集中的聲能，現實中常被用于測距、檢測、清洗、焊接、碎石，殺菌等方面，設計工業、軍事、醫療等行業。

而今天要講的超聲波焊接就是一種應用了超聲波特性的先進的連接技術，這項技術在過去的幾十年中得到了廣泛的應用和發展，它通過將高頻振動能量轉化為熱能，將兩個或多個材料表面熔合在一起，從而實現連接。

超聲波焊接技術起源于20世紀50年代，當時它被用于連接金屬薄板。

隨著技術的不斷發展，超聲波焊接的應用范圍逐漸擴大，涉及塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等眾多材料領域。同時，超聲波焊接的技術和設備也不斷升級和完善，提高了焊接效率和穩定性。

超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

超聲波每秒振動數十次或數千次。這種振動會傳遞到與塑料部件直接接觸的接觸面上。由于焊接區域的邊界具有較大的聲阻抗，因此會產生高溫。

塑料是一種非常差的熱導體，在將塑料的狀態從固態變為液態之前無法散熱。施加一點壓力，這會使兩個部分融合在一起，一旦超聲波信號停止，零件就會再次變硬。

這能讓兩個部件之間形成干凈且非常堅固的焊縫，焊縫的強度接近在注塑成型過程中形成的原材料的強度。

一套超聲波焊接系統的主要組件包括超聲波發生器、換能器、變幅桿、焊頭三聯組、模具和機架。

超聲波發生器將低壓低頻電能轉化位高壓高頻電能，如20KHz，上千伏電壓，傳輸到換能器，換能器內部有壓電式陶瓷，壓電效應把電能轉換為機械能，即超聲波震動。

超聲波再經過調幅器和焊頭，最終傳遞到兩個焊件的接觸面，在壓力和溫度的共同作用下，通過自由電子形成化學鍵，實現粘結。

超聲塑料焊接的原理，存在兩種解釋：

第一種摩擦理論：
即兩種焊材被焊頭和底模夾持住，在一定的壓力下，焊頭把高頻低幅的震動傳遞到接觸面，摩擦升溫，實現粘結。

第二種聲阻理論：
聲音在一種材料中的傳播速度是固定的，當到達接觸面時，A固體-空氣-B固體，聲阻發生了變化，聲能被轉化為熱量，促使熔點低的焊材先熔化，在壓力下形成化學鍵。

超聲波焊接 · 材料

一般來說，像PC、PA、PE、PS、PPE等材料用于超聲波完成焊接是可以的。尤其是ABS、PS這兩種焊接效果比較好。

選擇這樣的材料不僅美觀，還能在后期去掉很多的麻煩，這是因為超聲波焊接時需要提高振動幅度、加長焊接時間，材料往往耐磨系數比較低。

常見超聲波焊接用料

? ABS材料：苯乙烯共聚物，質輕、兼具軔性、剛性、抗沖擊與耐化學品性，用途廣泛，這種材質導熱性佳，適合用超聲波焊接機焊接。

? PS 材料：聚苯乙烯系塑料，熱塑性樹脂，外觀是光澤透明的珠狀或粒狀的固體，對水及化學物的抗蝕性強，絕緣性佳，適用于擠出或壓出成形，多用于各種玩具、裝飾品、盂洗設備、透鏡等的產品使用。材料彈性系數高，適合用超聲波焊接機焊接。

? PA材料：材質強軔，耐磨損，摩擦系數極低，耐酸，常用作軸承、齒輪、管子、廚房用具、毛刷等。用超聲波熔接時，因熔點高，所需熔接時間長，熔接前先經烘干會較易熔接。

? PP材料：聚丙烯成型性好，制品表面光澤好。聚丙烯最突出的性能就是抗彎曲疲勞性。

? PC材料：耐熱，有絕佳透明性，拉伸及曲折強度高，常用于鏡片，如熱管、過濾器等。因熔接點高，所需熔接時間長。由于材質具吸濕性，熔接前應先烘干。

? 高密度PE材料：比重小，在低溫及室溫下富柔曲性，防水、防蝕、可制成各種顏色。密度越高越適合于超聲波熔接。

此外，某些酯酸織維性物質焊接比較困難，因為接受面不容易吸收能量，在超聲波焊接振動時過熱容易出現局部變色。

超聲波焊接 · 優缺點

優點

?焊接速度快

?焊接強度高

?密封性能好

超聲波焊接技術是傳統焊接/粘合工藝的合適替代品。整個操作過程很干凈，因為它不使用有害溶劑或膠水，同時也不會損壞產品。

該技術在生產過程中也易于實施，故障率低，在很大程度上，能有有效地降低生產成本。 

缺點

零件只能在焊接系統允許的尺寸范圍內突出。焊接接頭形式和尺寸范圍有限。

當塑料件的厚度和硬度增加時，焊接所需的功率與塑料的參數呈指數增長。這增加了超聲波焊接機的制造成本。

如果功率要求過大，音響系統的設計制造和工藝效果會產生一系列難以解決的問題。因此，該技術更普遍地局限于細線、箔片和片材等薄部件。

該技術現狀將超聲波焊接系統的接頭形式限制為搭接接頭，并受到工具頭的限制。

超聲波焊接 · 應用

按照行業劃分，可以用于汽車、電子、半導體、紡織，醫療等眾多領域。

超聲波技術既可以單獨使用，在一些比較復雜的工藝中，也可以和紅外等技術結合使用，可以大幅提高工作效率。

1950 年，超聲波焊接技術在美國發明誕生，該技術作為一種高效塑料制品連接方式在工業上能夠縮短產品生產時間，提高產品效益因此受到廣泛應用。隨著時代的發展，超聲波塑焊產品從原來單一的塑料制品逐步發展到塑料、無紡布、包裝、打印耗材、醫療、電子、電器、汽車、文具玩具、生活用品等各個領域。面對不同應用市場的各種需求，超聲波焊接以其快捷、高效、清潔和牢固等特點而著名。

交通業：超音波可通過計算機程序控制來實施對大件和不規則工件的焊接如：保險杠、前后門、燈具、剎車燈等。

隨著以塑代鋼的趨勢發展，汽車部件也越來越多的采用超音波焊接。特別是這兩年興起的新能源汽車行業也開始廣泛應用，如電池領域等。

家電：通過適當的調整可用于：手提日光燈罩，蒸氣熨門、電視機外殼、收錄、音機透明面板、電源整流器、電視機殼螺絲固定座、減蚊燈殼、洗衣機脫水槽等需要密封、牢固和美觀的家電產品。

包裝：軟管的封口，特殊打包帶的連接。

玩具業：由于采用了超音波技術使產品清潔、高效、牢固，免除使用螺絲、粘合劑、膠水或其他輔助品，降低了生產成本，使企業在市場的競爭力大大增強。

醫療：新冠抗原檢測試劑盒中，卡扣設計的試劑卡上下塑料片的開模成本高。使用超聲波焊接可以在確保焊接密封一致性以及試劑卡的測試性能的前提下，幫助制造商以盡可能快的速度完成裝配。

超聲波焊接 · 問題與解決

問題：超聲波焊接后，內部零件破壞

解決：靠超聲波塑料焊接機本身的水平螺絲，或貼較薄的膠帶或鋁箔來克服

一般認為超聲波塑料焊接機作業時，產品與模具表面只要接觸準確就可以得到理想的熔接效果，但實際上超聲波既然是摩擦振動，就會產生音波傳導的現象。

另一方面上模輸出的能量，每一點都有其誤差值，并非整個面發出的能量都相同。就這整體而言，勢必產生產品熔接線熔接程度的差異。

?提早超聲波發振時間（避免接觸發振）

?降低壓力、減少超聲波焊接時間（降低強度標準）

?減少機臺功率段數或小功率機臺

?降低超聲波模具擴大比

?底模受力處墊緩沖橡膠

?底模與制品避免懸空或間隙

?上模掏孔后重測頻率

?上模掏孔后貼上富彈性材料（如硅利康）

問題：超聲波焊接后，發現產品尺寸不穩定怎么調

解決：

?增加熔接安全系數（依序由熔接時間、壓力、功率）。

?檢查超聲波上模輸出能量是否足夠（不足時增加段數）。

?檢查模具定位與產品承受力是否穩合。

?修改超聲波導熔線。

問題：超聲波焊接后，產品發現毛邊或溢料

解決：

?降低壓力、減少超聲波焊接時間（降低強度標準）。

?減少機臺功率段數或小功率機臺。

?降低超聲波模具擴大比。

?使用超聲波機臺微調定位固定。

?修改超聲波導熔線。

問題：塑料產品材質配合不當

解決：每一種塑料材質的熔點各有不同，例如ABS塑料材質的熔點約115℃，耐隆約175℃，PC在145℃以上，PE約85℃為例：ABS與PE二種材質的熔點差距太大，超聲波焊接勢必困難。而ABS與PC兩種材質，亦有差距，并沒有前面兩項差距那么大，也是可以進行熔接的，但在超聲波功率相同，能量擴大相同的情況下，相異的塑料材質，絕對無法比相同材質的熔接效果好。