超聲波焊接的基本原理是將高頻電能轉(zhuǎn)化為高頻振動的機械能。這種往復(fù)振動傳遞到熱塑性塑料或金屬，在塑料、塑料和金屬之間或金屬之間的界面上引起摩擦和熱量。

　　在超聲波焊接中，摩擦產(chǎn)生的熱量使兩種材料的表面熔合在一起。在超聲波鉚接中，焊接頭控制熔融塑料的流動方向，形成和壓制零件。在超聲波螺母鑲嵌中，金屬螺母由焊接頭打入塑料中。

　　超聲波焊接系統(tǒng)有多種配置選擇，包括不同頻率(15Khz-50Khz)、不同功率(600W-4800W)、多種形式，如氣動超聲波焊接機、伺服超聲波焊接機、手持式焊接機、非標焊接機、金屬超聲波焊接機等。

　　影響超聲波焊接成功的因素還有很多：模具(包括上焊頭和下底模)、頻率、材料、焊縫設(shè)計、焊接參數(shù)、零件注射成型。本文介紹了五個主要因素。

　　1.焊接系統(tǒng)頻率

　　典型的超聲波焊接系統(tǒng)的頻率為15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根據(jù)產(chǎn)品尺寸、內(nèi)部部件類型、強度和外觀的要求選擇合適的焊接頻率。一般來說，我們可以參考以下原則：

　　對于小型精密電子產(chǎn)品(包括PCB和微電子元器件)的外殼焊接，采用高頻40Khz焊機。40Khz焊機幅度較小，焊接壓力最小，可避免損壞產(chǎn)品內(nèi)部電子元器件。

　　對于有A類表面外觀要求的小產(chǎn)品。用40Khz焊機焊接時，由于振幅和壓力較小，外觀可以得到改善。

　　大中型零件的焊接應(yīng)采用低頻15Khz或20Khz焊機。

　　15Khz低頻大振幅焊機用于焊接PP等軟質(zhì)材料和剛性差的薄壁零件。

　　對于遠場焊接，即當焊接頭距離焊接位置較遠時，例如12mm以上，采用15Khz低頻大振幅焊機進行焊接。

　　20Khz焊機適用于中小尺寸的大部分產(chǎn)品焊接，也是目前應(yīng)用最廣泛的超聲波頻率。

　　2.材料

　　塑料的超聲波焊接只適合焊接熱塑性塑料。因為它們可以在特定的溫度范圍內(nèi)融化。然而，熱固性塑料在加熱時會降解，不能用超聲波焊接。

　　熱塑性塑料的可焊性取決于剛度或彈性模量、密度、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg或熔化溫度Tm。

　　一般來說，剛性好的塑料由于更容易傳遞振動能量，所以表現(xiàn)出優(yōu)異的遠場焊接性能。低彈性模量的軟塑料，由于衰減了超聲振動，所以很難焊接。對于超聲波鉚接或點焊，相反，塑料越軟，越容易鉚接或點焊。一般來說，塑料可以分為非晶態(tài)和晶態(tài)。超聲波能量在非晶材料中很容易傳遞，所以非晶塑料很容易被超聲波焊接。但是超聲波能量在晶體材料中不易傳遞，所以焊接晶體塑料時需要更大的振幅和能量，焊縫要精心設(shè)計。

　　能進一步影響焊接性的因素包括含水量、脫模劑、潤滑劑、增塑劑、填充增強劑、顏料、阻燃劑和其他添加劑，以及實際的樹脂等級。此外，還要注意不同材料之間的不同相容性。某些等級的材料在一定程度上是相容的，而另一些則是不相容的。

　　最后考慮焊接是近場焊接還是遠場焊接。當焊頭與焊肋之間的距離小于6mm時，稱為近場焊接。大于6mm的稱為遠場焊接。距離越大，振動衰減越大，焊接越困難。

　　3.焊接接頭的設(shè)計

　　影響超聲波焊接的最關(guān)鍵和最重要的因素是接頭設(shè)計。當零件處于設(shè)計階段時，工程師應(yīng)該仔細考慮和評估它們。焊接接頭的設(shè)計有很多，各有特點和優(yōu)勢。設(shè)計的選擇取決于塑料類型、零件幾何形狀、焊接要求、注射成型能力和外觀要求。

　　典型接頭設(shè)計：

　　三角形能量傳導(dǎo)肋的設(shè)計。這是超聲波焊接中最常用的設(shè)計，也是最容易注塑成型的設(shè)計。其特征是平面上有一個小的凸三角形，三角形的頂部呈90度或60度。由于其尖點設(shè)計易于引導(dǎo)和集中振動能量，故稱為能量傳導(dǎo)肋。

　　階梯縫設(shè)計易于注塑成型，上下可自行定位，焊接強度高，熔融物料流入垂直間隙。

　　槽縫設(shè)計，上下可自行定位，具有強度高、密封性能好的特點，內(nèi)外無溢出。缺點是需要一定的壁厚。

　　剪切接頭設(shè)計通常用于焊接要求高強度密封的小型產(chǎn)品，尤其是焊接結(jié)晶塑料。

　　嵌接接頭通常用于圓形或橢圓形零件，具有高強度和高密封性能，特別適用于焊接結(jié)晶塑料。

　　(以上焊縫設(shè)計的詳細說明將在后續(xù)文章中介紹)。

　　為了確定哪種焊接設(shè)計適合您的產(chǎn)品，請咨詢超聲波制造商工程師或銷售人員。

　　4.工具和焊接頭

　　一般來說，客戶會選擇與焊接機相同品牌的工裝和焊接頭。其實你可以自由選擇其他品牌提供的工具和焊頭，只要焊頭頻率和設(shè)備一樣。

　　焊接頭材料可選自鋁合金、鈦合金和硬質(zhì)合金鋼。模具材料可以是鋁合金、不銹鋼和樹脂模具。如何選擇材料，一般要考慮塑料的種類、玻璃纖維含量、接頭結(jié)構(gòu)和尺寸、焊接強度和使用壽命。比如為了延長使用壽命，硬質(zhì)合金焊頭就是最好的選擇。超聲變幅桿可以通過有限元分析(FEA)進行設(shè)計和優(yōu)化，使工程師能夠在實際制造前評估變幅桿的振動和應(yīng)力。焊頭的最佳設(shè)計是輸出幅度均勻，應(yīng)力最小。上圖左圖是優(yōu)化前的喇叭設(shè)計，幅度輸出不均勻。右邊優(yōu)化后輸出幅度均勻。

　　在焊接頭的設(shè)計和制造中，必須仔細記住——焊接頭的對稱性非常重要。不對稱喇叭導(dǎo)致非軸向振動。徑向振動會大大增加應(yīng)力，導(dǎo)致焊頭失效。

　　好的工裝設(shè)計也很重要。工裝主要有兩個作用：(1)對準焊頭下的零件；(2)剛性支撐焊接區(qū)。剛性支撐有助于將超聲波能量反射到焊縫位置，這也是金屬工件通常用于工裝的原因。

　　為了提高焊接頭的耐磨性和使用壽命，焊接頭的表面可以進行碳化鎢或鍍鉻處理。工具可以分段設(shè)計，以更好地適應(yīng)產(chǎn)品。

　　5.焊接參數(shù)

　　在焊接過程中，焊接參數(shù)會影響焊接結(jié)果。這些參數(shù)包括振幅、焊接壓力、觸發(fā)壓力、焊接距離和焊接能量。

　　不同類型的塑料需要不同的振幅。幅度可以通過軟件中的百分比設(shè)置進行微調(diào)，也可以通過更換不同比例的幅度調(diào)制器進行大范圍調(diào)整。焊接壓力可以通過旋鈕或軟件設(shè)置來調(diào)節(jié)。觸發(fā)壓力是指當焊頭壓下產(chǎn)品后壓力達到一定設(shè)定值時，設(shè)備開始發(fā)射超聲波，可以通過旋鈕或軟件設(shè)置進行調(diào)整。

　　超聲波焊接過程有幾種控制模式：

　　時間焊接模式，即設(shè)置超聲波焊接的持續(xù)時間。

　　距離焊接模式(位置焊接模式)，即設(shè)置焊接距離或位置。

　　能量焊接模式，即設(shè)置焊接能量。

　　不同的焊接方式適用于不同產(chǎn)品的焊接。比如薄板焊接采用能量焊接方式，尺寸公差大的產(chǎn)品采用距離焊接方式，公差要求高的產(chǎn)品采用位置焊接方式。

　　此外，如果你愿意，你可以監(jiān)控焊接過程中的所有參數(shù)，并設(shè)置合格零件的間隔，以避免意外的缺陷零件。

　　塑料超聲波焊接是一種特殊的工藝。在產(chǎn)品開發(fā)初期，應(yīng)與超聲波設(shè)備供應(yīng)商合作，利用該領(lǐng)域設(shè)備制造商的經(jīng)驗，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和焊縫設(shè)計進行評估，并對樣品進行焊接試驗。從而提高后續(xù)量產(chǎn)的良率。