超声波焊接

超声波焊接是一种利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合1。超声波焊接可以用于塑料和金属的连接，具有快速、节能、高效、无污染等优点。本文将介绍超声波焊接的原理、材料选择和焊缝设计。

超声波焊接原理

超声波焊接利用超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能2。这种电能通过换能器转换成高频机械振动，并通过振动头传递到工件上。当振动头与工件接触时，会产生摩擦热，使工件表面或界面温度升高，达到熔化或软化的状态。同时，在振动头的压力作用下，工件之间产生塑性变形，实现分子层之间的结合。当振动停止后，工件在压力下冷却固化，形成牢固的焊缝。

超声波焊接的过程可以分为以下几个阶段3：

• 接触阶段：振动头与工件接触，开始传递振动能量。

• 热量产生阶段：由于工件表面或界面的不平整和摩擦，产生热量，使材料温度升高。

• 熔化阶段：当材料温度达到熔点或玻璃化转变温度时，材料开始熔化或软化，形成熔融层。

• 熔融扩展阶段：随着振动和压力的持续，熔融层逐渐扩展，直到覆盖整个焊接区域。

• 结合阶段：当达到预设的焊接时间或能量时，振动停止，但压力继续保持，使熔融层在压力下冷却固化，形成均匀致密的焊缝。

超声波焊接材料选择

超声波焊接适用于大多数热塑性塑料和某些金属材料。不同材料对超声波的吸收和传导能力不同，影响了焊接效果。一般来说，无定形塑料比半结晶塑料更容易焊接，因为无定形塑料有较宽的软化温度范围，而半结晶塑料有明显的熔点4。此外，材料中添加的填充剂、增强剂、增塑剂、着色剂等也会影响材料的超声特性和焊接性能4。

对于塑料与塑料之间的焊接，一般要求两种塑料具有相似或相容的分子结构和熔点4。例如，聚丙烯（PP）可以与聚乙烯（PE）或聚苯乙烯（PS）焊接，但不能与聚氨酯（PU）或聚酰胺（PA）焊接。对于不同种类的塑料之间的焊接，可以采用一些方法来提高焊接效果，如使用中间层、涂层、粘合剂等4。

对于金属与金属之间的焊接，一般要求两种金属具有相近的熔点和相似的晶格结构。例如，铝可以与铝或铜焊接，但不能与钢或镍焊接。对于不同种类的金属之间的焊接，可以采用一些方法来提高焊接效果，如使用中间层、涂层、合金等。

对于塑料与金属之间的焊接，一般要求塑料具有较高的熔点和较好的粘附性。例如，聚酰亚胺（PI）可以与铝或铜焊接，但聚乙烯（PE）就不行。对于塑料与金属之间的焊接，可以采用一些方法来提高焊接效果，如使用特殊设计的振动头、涂层、粘合剂等。

超声波焊缝设计

超声波焊缝设计是指在工件上设计一些特殊的几何形状或结构，以便在超声波作用下产生局部加热和塑性变形，实现有效的连接。超声波焊缝设计应考虑以下几个因素：

• 焊缝位置：应尽量靠近振动源，以减少能量损失。

• 焊缝形状：应尽量简单、对称、连续、平滑，以避免应力集中和裂纹产生。

• 焊缝尺寸：应根据材料性质和工件尺寸合理确定，以保证足够的强度和密封性。

• 焊缝数量：应根据工件功能和结构合理确定，以避免过多或过少。

根据不同的工件形状和连接要求，常见的超声波焊缝设计有以下几种类型：

• 平面对平面：适用于简单平板状工件之间的连接，无需设计特殊结构。

• 导能筋：适用于圆柱形或盒式工件之间的连接，在上部工件上设计一个三角形凸起，在下部工件上设计一个相应大小的凹槽。

• 剪切缝：适用于圆柱形或盒式工件之间的连接，在上部工件上设计一个倾斜角度为45°左右的斜面，在下部工件上设计一个相应大小和角度的斜面。

• 沟槽：适用于圆柱形或盒式工件之间的连接，在上部工件上设计一个V字形或U字形沟槽，在下部工件上设计一个相应大小和形状的沟槽。

• 铆钉：适用于将金属部件固定在塑料基体上，在金属部件上设计一个圆柱形或锥形突起，在塑料基体上设计一个相应大小和深度的孔洞。

• 镶嵌：适用于将金属片或金属网镶嵌在塑料基体上，在金属片或金属网上设计一些凸起或凹槽，在塑料基体上设计一个相应大小和形状的槽口。