超声波塑料焊接工艺研究进展

超声波塑料焊接工艺研究进展

  选择高频焊接设备、使用低熔点、高表面摩擦系数的材料，选择适宜的焊接时间和压力，有 利于提高焊接质量，并指出了塑料超声波焊接质量的控制方法和检测手段的发展方向。 
           文 摘：从焊接设备、焊接材料、工艺参数等方面综述了超声波塑料焊接质量的进展。 

     前言 超声波塑料焊接技术是借助超声波使塑料件接触面的分子快速融合在一起的加热连接方 法。利用超声波发生器将低频的电能转化为 20 ～ 40KHz 的高频电能，电能通过换能器转 化为同频率的纵向机械振动，这种振动通过调幅器和焊头传递给放置在基座上的焊接试样， 在机械振动引起的动态机械力作用下使 焊接区试样表面 温度升高熔化，挤出形成一定厚度 的熔化层，焊接后在一定时间内保持压力，直到熔化层冷却凝固成为可靠的接头。 塑料超声波焊接技术有时间短、表面无损坏、非焊接区域不发热等优点，目前已经广泛 地应用于航空航天、仪器仪表、食品包装等领域。迄今为止，各国的研究者对它进行了大量 的研究工作，主要集中在焊接工艺参数、焊接过程和焊接设备等方面，本文 从焊接设备、焊接材料、工艺参数三个方面综述了焊接质量的研究进展情况，并介绍了焊接 质量控制方法和检测手段的进展情况。下图为经典超声波塑料焊接机

     2 焊接设备 塑料超声波焊接工艺是从金属超声波焊接发展起来的。它最早是由美国琼斯等人在 1950 年提出。 19 世纪 60 年代后，美国、日本、瑞士、英国、德国和前苏联开始在实际 生产过程中使用这种技术。美国的 Brason 、声能器材公司、日本的海上电机株式会社、松下电气、德国的 KLN 公司以及俄罗斯、瑞典都研制生产了塑料超声波焊接设备，设备的频 率一般在 20 ～ 40kHz 之间，功率一般在几百瓦到几十千瓦之间。现阶段焊接设备的研 究主要集中在提高焊接功率和频率以及采用新型振动模式等方面，出现了 40KHz 以上的超声波振动系统，以及横向 、扭曲、以及纵向－横向等复振动模式的设 备，用此设备来焊接声发射特性较差的材料。此外，田修波等对塑料超声波的气动加压 系统进行研究，研制压力可变的塑料超声波焊接机，能得到更好的焊接质量。 

大功率超声波焊接设备↑

     3 焊接材料 超声波焊接原则上可以焊接所有的热塑性塑料。按照焊接技术特性的功能可以把高分子 材料分为三类：（ 1 ）柔性材料，指软质、低弹性模量材料；（ 2 ）刚性材料， 指高弹性模量和低机械振动阻尼因子材料，例如聚苯乙烯（ PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）、聚酰胺（ PA ）；（ 3 ）所有的高分子薄膜、高分子合成纤维、由薄膜和纤维组 成的布。
        3.1 焊接材料物性参数 一般来说，塑料超声波可焊性取决于公式 

（ 1 ） K- 焊件形状因子； E- 弹性模量； μ- 摩擦系数； λ- 热导率； ρ- 密度； C- 比 热容； t- 熔点。 从公式（ 1 ）可知，焊接质量与弹性模量、摩擦系数、热导率成正比，与其密度、比 热容、熔点成反比。其中焊接质量主要与材料的熔点和表面摩擦系数有关。这些参数因 材料和温度的不同而不同，它们在焊接过程中的变化将影响焊接区域的温度、应力和变形， 从而影响焊接质量。但是超声波焊接时间很短，很难通过试验控制参数的变化，国内外学者 利用数值模拟方法来解决这一问题。例如刘川利用有限元方法分析超声波焊接过程中聚 氯乙烯（ PVC ）的物理参数的影响，得到了焊接区域温度沿试样厚度的变化规律（图 1 ）。

此外，塑料的分子量与焊接接头强度有一定比例关系。分子量高，熔融分子链流动扩散 需要的超声波能量就大，焊接压力、振幅和时间就要增加，容易造成焊接接头强度降 低。

 3.2 焊接材料改性 塑料的改性对焊接质量也有影响，其中研究最多的是聚醚醚酮（ PEEK ）和聚丙烯（ PP ）基复合材料。总体趋势来看，在同一工艺参数下填料的加入都会给焊接质量带来负面 影响。例如 Sancaktar 等在相同工艺参数下对改性聚丙烯进行了超声波焊接，填料对焊接接头强度的影响各不相同，接头强度和焊接断裂伸长率随着每种填料含量的增加而下降 ； Liu 等对玻璃纤维增强聚丙烯进行了超声波焊接研究，发现焊接接头强度随着纤维 含量的增加而降低。 但在不同工艺参数下，改性材料得到的焊接质量优于未改性材料。 Liu 等对不同 含量玻璃纤维 (15% 和 35%) 增强的尼龙复合材料的超声波焊接工艺参数进行了研究，发现 纤维含量增加后，只要延长焊接时间，焊接接头强度就增加。因此，纤维等填料加入能够提 高材料的硬度，有利于超声波的传递，只要在合适的工艺条件下填料的增加可以提高焊接接 头强度。

 3.3 材料搭接宽度 材料搭接宽度的增加使焊接接头强度降低。因为随着搭接宽度增加，焊接接头边缘应力 集中增加，边缘出现的微裂纹增多，接头强度降低。 Matsuoka焊接用层合法 (Papermaking) 和浸渍法（ impregnation ）制备的玻璃纤维改性 PP ，焊接接头强度都随着宽度 增加而降低。

 3. 4 材料表面粗糙度 增加材料表面粗糙程度可以降低声阻抗，提高表面能流密度，从而提高其焊接质量。侯 旭光等在 PP 包装袋的研究过程中发现，采用表面有滚制花纹的膜材料能够得到更高的 焊接质量，比表面光滑的 PP 膜的焊接接头强度提高接近一倍。 

3.5 焊接面到焊头距离 材料焊接面到焊头的距离达到半波长值时焊接接头强度最大。因为超声波在塑料中传递 主要是纵向波，最大纵向波峰值往往出现在半波长，距离接近半波长时超声波传递给焊接界 面热能量最多，能得到良好的焊接接头。针对不同厚度的 HS1000 （芳基磷酸盐和粘土改性 的聚苯醚，半波长为 3.86cm ）进行超声波焊接，结果发现存在临界厚度为 38.6mm ，小于 临界厚度时焊接接头强度和伸长率随厚度的增加而增加，大于临界厚度时焊接接头强度迅速 降低。 

4 工艺参数 塑料超声波焊接包括振幅、焊接时间、焊接压力等许多工艺参数，这些工艺参数以及参 数之间的共同作用都对其焊接质量有影响。 

4.1 焊接振幅 振幅是塑料在超声波焊接时首要选择的工艺参数。材料在特定的超声波频率下都有适宜 的振幅范围，表 1 介绍了几种常用的塑料在 20KHz 下所需的振幅范围。 

表 1 超声波焊接热塑性塑料所需的振幅范围Tab.1 Range of amplitude for ultrasonically welded thermoplastic  在适宜的振幅范围内，振幅增加有利于超声波能量的扩散，从而提高焊接接头强度。例  如 Sancaktar在 40μm ～ 53μm 振幅范围内发现 PP 焊接强度随振幅的增加而呈上升 趋势； Liu  在 25μm ～ 40μm 振幅范围研究 PP 和玻璃纤维增强聚丙烯复合材料， 发现焊接强度随振幅增加而增加 。 但是振幅对焊接质量的影响并不完全满足上述规律。 Benatar在 1μm ～ 60μm 振幅范围内研究塑料超声波焊接，发现非晶材料 PS 、 ABS 焊接接头强度受振幅变 化的影响不大；半晶材料 PE 、 PP 振幅达到 25μm 后焊接接头强度振幅增大而增加，小 于 25μm 时恰好相反，而且发现振幅为 15μm 时塑料的焊接接头强度值均较大，这点值得 注意。卢彤从熔融层厚度角度进一步阐述了振幅与焊接质量的关系，试验表明熔融层厚 度随振幅增大而略微减小，导致 PS 焊接接头的剪切强度增加，弯曲强度降低。 此外，塑料焊接所需的振幅还受焊接形式种类和焊接设备频率的影响。嵌插和铆接所需 振幅较大，而平面焊所需振幅较小。 90kHz 的超声波塑料焊接设备的振幅是 27kHz 焊接设 备振幅的三分之一， 90kHz 的超声波能够使焊接面温度更快地升高到较高的值 。 

超声波焊接机参数

4.2 焊接压力 在其他因素确定的情况下，取得较优焊接接头强度的焊接压力存在一定范围。例如 Matsuoka 对玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料搭剪试样进行了试验研究， 压力 小于 0.15MPa 接头强度随压力增大而增加，超过 0.15MPa 后接头强度达到一个比较稳定的状 态，约为 35MPa ，当焊接压力超过 0.4MPa ，聚丙烯会从基体中严重挤出，焊接接头强度 降低。 焊接压力对焊接质量的影响比较复杂。周生玉等超声波焊接 PP 发现，焊接压力对 焊接熔融区的厚度和取向程度有较大影响，焊接压力增加，熔融层厚度减小，焊接接头的取 向程度增加，宏观表现为焊接压力增加，接头沿取向方向的剪切强度增加，垂直于取向方向 的弯曲强度降低。 Harras 等超声波焊接碳纤维增强聚醚醚酮复合材料板，发现断裂韧 性与焊接压力关系图中的数据点很分散，并通过红外光谱和扫描电镜对断裂断面分析，发现 分子取向对焊接质量的影响不明显。材料分子取向对焊接质量的影响还需进行进一步的研 究。 

4.3 焊接时间 实验证明，要想得到良好的焊接接头，必须选择适当的焊接时间，过长和过短的焊接时 间都会造成焊接接头强度的下降。 Benatar 等发现在近程焊接 PP 、高密度聚 乙烯时，焊接接头强度随着焊接时间的增加而增加，当焊接时间超过一定值（约 1.5s ） 后，焊接接头强度开始下降。 ABS 、 PS 在远程焊接中出现类似情况，转折点在 2.4s 附 近。超声波焊接 PVC 板材[16]、 PP 包装袋的正交试验中发现焊接时间同样出现转折 点，见图 4 。

焊接时间不受材料的厚度影响，薄膜的超声波焊接同样存在较优的焊接时间。吴德光 对双向拉伸聚酯 / 低密度聚乙烯复合膜进行了超声波焊接研究，结果表明焊接时间对 焊接接头质量的影响规律与上述一致，在 0.25s 时焊缝热强度和冷强度均达到较大值。

 4. 4 保压时间和保压压力 超声波停止后，为了使焊接试样相互紧贴固化，从而使两工件能够很好地焊接在一起， 需要在一定时间内保持一定的压力，所需的时间和压力就是保压时间和保压压力。文献保压时间和保压压力对焊接接头强度的影响是正面的，但相对于其它工艺参数，保压时间和 保压压力对焊接接头强度的影响很小。

4.5 焊头下降速度 焊头下降速度越快，达到的焊接接头强度越高。在超声波焊接过程中，高的下降速度能 够得到高的接触压力，有利于焊接界面紧密地接触和分子充分地扩散。文献表明使用 25mm/s 、 50mm/s 、 100mm/s 三种焊头下降速度来焊接 HS1000 ，下降速度增加到 100mm/s 的平均焊接接头强度更高，达到 28.38MPa 。

超声波焊头

       5 焊接质量控制和检测 塑料超声波焊接的时间短、表面无损伤，对焊接质量控制和评价比较困难。目前焊接质 量控制模式包括时间控制模式、行程控制模式、振幅控制模式和能量控制模式等。时间控制 模式是传统的焊接控制模式，通过达到超声时间就停止焊接的方式来控制焊接质量，这种方 法结构简单，易实现；行程控制模式是允许功率输出及时间波动情况下，通过控制焊接过程 中的熔塌距离来控制材料的熔化量，来保证焊接质量；振幅控制模式是利用超声波发生 器的电参量来调节振动系统的振幅输出，来达到控制焊接质量的目的；能量控制模式以 焊接试样所需能量作为焊接过程控制的关键参数，胡振海等开发了一套以输入到焊件的实际 能量为关键参数的控制系统，使用此系统对 PMMA 、 PS 等塑料进行超声波焊接，结果表明 系统运行稳定，焊接质量可靠。 目前往往从接头的外观质量和接头的力学性能两方面进行超声波塑料质量评价，常用方 法有超声波检测法、 X 射线检测法、视觉检测和批量破坏试验等，这些测试方法都针对焊 接后的试样进行，因此取得最佳的焊接质量需要进行多次试验。近年来实时跟踪检测焊接质 量的方法成为研究热点， Benetar 等发现在超声波焊接过程中材料界面的阻抗与熔融 高分子流动有密切关系，以此为依据可以在线监控焊接质量。董震等通过对超声波焊接 过程中声学系统输入端的电参数进行在线检测，超声波电信号能够有效地反映焊接过程的变 化 , 为实现焊接过程质量控制提供了借鉴手段。 Ling 等利用输入压电陶瓷的电阻值 作为信号来监控超声波焊接接头质量，电阻值能很好反映在焊接过程中热塑性塑料的热－机 械行为，从而达到对焊接质量的检测。 Chuah 、梁延德、杨士勤在靠近焊接 界面的熔化区中心埋入热电偶，观察发现焊接界面的温度随焊接时间变化规律是一致的，温 度先迅速上升短时间不变后缓慢下降，能够很好的反映在不同工艺参数下温度的变化情况， 为焊接质量的控制提供参考依据。

超声波换能器

 6 结束语 塑料超声波焊接机制复杂，焊接质量受众多因素影响。对材料进行焊接时：

首先要考虑焊接设备的选择，高频焊接设备能得到较优的焊接质量，

其次考虑材料的其可焊性，低熔 点、高表面摩擦系数的材料可得到较优焊接质量，加入适量的增强材料能够提高焊接质量； 

第三，超声波的振幅、焊接时间、焊接压力是影响焊接质量的主要工艺参数，得到较佳焊接 质量的三个工艺参数都存在一定的范围。

 随着超声波焊接技术在塑料连接领域中越来越多的应用，它逐渐受到塑料加工成型的工 作者的重视。但由于塑料超声波焊接时间短，焊接机理复杂，焊接质量难以控制，限制了超声波焊接工艺在塑料领域中的进一步使用。需要从以下几个方面进一步加强超声波焊接技术 的研究：

1 ）研究新型的焊接设备，研制具有高频率和高功率的焊接设备；

2 ）深入研究 不同材料焊接区域的状态，包括熔融区厚度、结晶度、取向程度、化学组分等，深入研究塑 料超声波焊接技术的机理 

3 ）针对不同材料进行焊接工艺的优化，建立焊接设备、工艺参 数、常用材料的对应关系规律，减少实验次数，降低成本；

4 ）进一步完善塑料超声波焊 接质量的检测手段，尤其是发展完善实时跟踪监测方法。