影响超声波焊接成功的5个因素

超声波焊接的基本原理，是将高频电能转化为高频振动的机械能。这种往复振动传递给热塑性塑料或者金属，在塑料与塑料、塑料与金属，或者金属与金属界面产生摩擦和热量。

在超声波焊接中，摩擦产生热量使得两个材料表面熔合在一起。在超声波铆接中，焊头控制熔融塑料的流向，成型并压紧零件。在超声波螺母镶嵌中，焊头将金属螺母打入塑料。

超声波焊接系统有多种配置选择，包括不同频率（15Khz-50Khz），不同功率（600W-4800W），以及多种形式，如气动超声波焊接机，伺服超声波焊接机，手持焊接机，非标焊接机，金属超声波焊接机等等。

影响超声波焊接成功的因素也很多：模具（包括上焊头和下底模）、频率、材料、焊缝设计、焊接参数和零件注塑等。在本文，我们介绍5个主要因素。

1.焊接系统频率

典型的超声波焊接系统的频率有15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根据产品尺寸、内部元器件种类、强度和外观等要求，选择适合的焊接频率。一般可以参考以下几个原则：

• 对于小型和精密的电子产品（内含PCB板以及微电子元件）外壳焊接，使用高频率40Khz焊接机焊接。40Khz焊接机振幅更小，焊接压力也可以最小，能够避免损伤产品内部电子元件。
• 对于小型且有A类面外观要求的产品。采用40Khz焊接机焊接，因振幅和压力小，能够改善外观。
• 对于中等尺寸和大尺寸的零件焊接，采用低频15Khz或者20Khz焊接机。
• 对于较软的材料例如PP，以及刚度较差的薄壁件产品，采用低频大振幅的15Khz焊接机焊接。
• 对于远场焊接，即焊头距离焊缝位置较远，例如大于12mm时，采用低频大振幅的15Khz焊接机焊接。
• 20Khz焊接机适合小型到中等尺寸大多数产品的焊接，也是目前使用最为广泛的超声波频率。

2.材料

对于塑料的超声波焊接，只适合对热塑性塑料进行焊接。因为它们可以在特定的温度范围内熔化。而热固性塑料加热时降解，无法利用超声波进行焊接。

热塑性塑料的可焊接性，取决于材料刚度或弹性模量，密度、摩擦系数、导热系数、比热容、玻璃化转变温度Tg或熔化温度Tm。

一般来说，刚性好的塑料表现出优异的远场焊接性能，因为它们更容易传递振动能量。而弹性模量低的软性塑料，因其会衰减超声波振动，所以较难焊接。而对于超声波铆接或点焊则相反，塑料越软，就越容易铆接或点焊。

通常，塑料可分为非结晶（无定形）和结晶两种。超声波能量很容易在非结晶材料中传递，因此非结晶塑料容易进行超声波焊接。而超声波能量不容易在结晶材料中传递，因此焊接结晶塑料时需要更大的振幅和能量，同时也要小心设计焊缝。

可进一步影响可焊性的因素有含水率，脱模剂，润滑剂，增塑剂，填料增强剂，颜料，阻燃剂和其它添加剂，以及实际树脂等级。另外，还应注意不同材料之间相容性程度不同。某些材料的特定等级之间才有一定程度的相容性，其余则不相容。

最后，还要考虑焊接是近场焊接还是远场焊接。焊头接触零件的位置到焊接筋的距离小于6mm的情况，叫做近场焊接。大于6mm’，叫做远场焊接。距离越大，振动衰减越大，焊接就越困难。

3.焊接接头设计

影响超声波焊接最关键、最重要的因素是接头设计。当零件处于设计阶段时，工程师应谨慎考虑和评估。焊接接头有多种设计，有各自特点和优势。选择何种设计，取决于塑料类型、零件几何形状、焊接要求、注塑能力以及外观要求等。

典型的接头设计：

三角导能筋设计。这是超声波焊接中最常用的设计，也是最容易注塑的设计。它的特点是在平面上有一个凸起的小三角，三角顶部是90或60度。因其尖点设计容易引导并集中振动能量，所以叫做导能筋。

台阶缝设计，容易注塑成型，上下件可自定位，焊接强度高，熔融材料流入垂直间隙中。

沟槽缝设计，上下件可自定位，具有高强度、密封性好的特点，且内外侧无溢料。缺点是要求一定的壁厚。

剪切缝设计，一般用于要求高强度密封的较小尺寸的产品焊接，特别适用于结晶性塑料的焊接。

Scarf接头，这通常用于具有圆形或椭圆外形的零件上，提供高强度和高密封性，特别适用于结晶性塑料的焊接。

（以上焊缝设计详解会在后续文章中推出）。

为了确定您的产品适合选择哪一种焊缝设计，请咨询超声波厂家工程师或销售人员。

4.工装和焊头

一般来说，客户会选择与焊接机相同品牌的工装和焊头。实际上，可以自由选择其它品牌提供的工装和焊头，只要焊头频率与设备相同即可。

焊头材料可选择铝合金、钛合金和硬质合金钢。工装材料可选择铝合金、不锈钢和树脂模。如何选择材料，一般要考虑塑料类型、材料玻纤含量、接头结构和尺寸、焊接强度和使用寿命。例如，为了延长寿命，硬质合金钢焊头是一个最佳选择。

超声波焊头可用FEA（有限元分析）进行设计和优化，允许工程师在实际制造前评估焊头的振动情况和应力大小。最佳的焊头设计，是具有均匀的输出振幅，以及最小的应力。上图中，左侧图片是优化前焊头设计，振幅输出不均匀。右侧是优化后，输出振幅均匀。

在焊头设计和制造中，必须小心谨记对称性——焊头对称性是至关重要的。不对称的焊头导致非轴向振动。径向振动会大大增加应力，导致焊头失效。

好的工装设计也非常重要。工装有两个主要作用：（1）对齐焊头下方的零件；（2）刚性支撑焊接区域。刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊缝位置，这也是为什么工装通常是用金属加工件。

为了增加焊头耐磨性，提高使用寿命，可对焊头表面进行碳化钨处理或镀铬处理。工装可分段设计，以更好的贴合产品。

5.焊接参数

在焊接过程中，焊接参数会影响焊接结果。这些参数包括振幅、焊接压力、触发压力、焊接距离以及焊接能量。

不同类型的塑料需要不同的振幅大小。振幅可以通过软件中百分比设置进行微调，或者通过更换不同变比的调幅器进行大范围调节。焊接压力可以通过旋钮或者软件设置进行调整。触发压力是指当焊头压住产品后，压力达到某个设定值时，设备开始发超声，该值可通过旋钮或者软件设置进行调整。

超声波焊接过程有几种控制方式：

• 时间焊接模式，即设定超声波焊接持续时间。
• 距离焊接模式（位置焊接模式），即设定焊接的距离或者位置。
• 能量焊接模式，即设定焊接的能量。

不同产品焊接适用不同的焊接模式。例如薄片焊接采用能量焊接模式，尺寸公差大的产品采用距离焊接模式，有高度公差要求的产品采用位置焊接模式。

另外，如果你愿意，可以对焊接过程中的所有参数进行监控，设置参数合格件区间，避免产生意外不良件。

塑料超声波焊接属于特殊工艺过程。产品开发初期应与超声波设备商合作，利用设备商在该领域的经验，对产品结构和焊缝设计进行评估，并对样品进行焊接测试。以提高后续大批量生产的良率。

参考文件：https://zhuanlan.zhihu.com/p/206927835