影响超声波焊接的因素

• 1
  影响超声波焊接的因素如何产生热量
• 2
  材料模量与玻纤含量
• 3
  接头几何形状：导能筋、剪切接头、铆接
• 4
  振幅、频率与焊接参数
• 5
  工装夹具支撑、零件公差与表面状态
• 6
  影响超声波焊接的因素：材料与接头检查清单

换能器将 20 kHz 或 15 kHz 的电信号转换为机械振动。焊头将该振动压入上件，振动向下传递至接头，两个表面在微观尺度上相互摩擦。界面处的摩擦加上整体粘弹性加热，在几十毫秒内熔化一薄层聚合物。

不施加外部热量。能量恰好产生在需要的位置，即接合线处，因此 0.2–1.0 s 的加工节拍是正常的，周围零件也保持低温。这正是该工艺的全部吸引力所在。

熔融层仅 0.1–0.5 mm 厚。该层之外的一切保持固态，因此零件保持形状，任何模塑成型的特征都能保留。CNC 加工的焊头或工装夹具必须在此过程中将零件彼此平贴压紧，平行度控制在几微米以内。

有一个后果对设计很重要。由于加热取决于两个表面之间的摩擦，该工艺对任何改变这些表面接触方式的因素都很敏感：玻纤含量、脱模剂、分型线飞边、缩痕。这些才是容易让人栽跟头的影响超声波焊接的因素，而不仅仅是机器设置。

弹性模量决定树脂传递振动的能力。ABS、PC、PMMA 和 PS 等非结晶树脂软化范围宽，能高效传递能量。PA、POM、PP 和 PEEK 等半结晶树脂熔化急剧，在接头附近吸收更多能量，因此需要更高的振幅和更紧的工艺窗口。

玻纤填充牌号是更棘手的情况。玻纤含量 10–20% 时材料仍可焊接，但纤维不熔化，会停留在界面形成阻隔。玻纤含量 30% 及以上时，焊接强度通常远低于未填充牌号，因此值得考虑机械互锁或其他连接方法。

填料还会磨损焊头。玻纤和矿物填料会侵蚀钛和铝制工具，从而在量产过程中改变共振频率。如果焊接 30% 玻纤填充 PA，应计划每几千个循环检查一次焊头，而不是把焊头当作永久工具。

两种不同树脂很少能焊接。经典的例外是 ABS 与 PC，因为它们的溶解度参数接近。PP 与 ABS、POM 与 PA，或任何材料与含氟聚合物，无论怎样调整振幅都不会形成熔接。

导能筋是一个小三角脊，通常高 0.25–0.5 mm，夹角 60° 或 90°，模塑在接头的一半上。它将首次接触集中到极小区域，使熔化从那里开始并向外扩展。顶点太钝会导致焊接开始晚且不均匀。

剪切接头适用于半结晶树脂和需要气密密封的零件。壁面过盈 0.2–0.4 mm，零件套合时振动使过盈处熔化。它需要刚性支撑工装夹具，因为接头承受侧向载荷，而不仅仅是压缩。

铆接和点焊将焊头直接抵住模塑螺柱或平垫。螺柱直径应约为焊头接触直径的 1.5–2 倍，螺柱应有一个小导孔以控制熔体塌陷位置。

接头处壁厚应至少 1.5 mm，2.0–3.0 mm 较为合适。薄壁在焊头下会弯曲、吸收能量，得到的焊缝看似闭合，但在载荷下会剥离。在增加振幅之前，先在接头附近增加加强筋。

振幅是焊头端面的峰峰值位移，20 kHz 时通常为 20–60 μm。振幅越大，每周期摩擦能量越多，但零件应力也越大，接头挤出的飞边也越多。远场焊接中接头距焊头接触面 6 mm 或更远，需要更高振幅来补偿衰减。

频率根据零件尺寸和材料选择。20 kHz 是中小型零件的标准。15 kHz 波长更长，更适合大型长零件。35 kHz 或 40 kHz 适合电子壳体和医疗器械组件等精密装配，这些场合需要低位移和低应力。

焊接模式与数值同样重要。时间模式简单，但对零件差异不敏感。能量模式在达到设定焦耳数时停止，对几何形状一致的模塑件重复性更好。塌陷距离模式在零件闭合设定距离时停止，这是对最终接头高度最直接的控制。

触发力、焊接力和保压力是三个独立设置，每一个都会改变结果。触发力低，焊头轻触落下；焊接力低，零件会滑动并烧焦；振动停止后保压力过大，会压坏仍处于软化状态的接头。保压时间 0.3–1.0 s 是常见的起始值。

工装夹具只做一件事：在上件振动时固定下件。夹具座内任何柔性都会吸收能量，该处的接头就焊不透。支撑应直接位于接头线正下方，而不是零件远端。

注塑件存在公差。60 mm 长的接头上出现 0.3 mm 翘曲，意味着导能筋只在一侧接触，焊接从该处开始，缝隙始终无法闭合。工装夹具设计应以轻微预压使零件贴合，而不是依赖零件本身平整。

污染会破坏结合。脱模剂喷雾、点胶机残留的硅胶、二次机加工带来的切削油以及皮肤油脂都会留在结合面上，起隔离层作用。焊接前用异丙醇擦拭并让其挥发。不要以为刚注塑的零件就是干净的。

聚酰胺对水分敏感。PA 吸水，吸收的水分在焊接温度下闪蒸为蒸汽，产生气孔并导致接头强度低。将 PA 零件干燥至水分约 0.2% 以下并尽快焊接，否则相同参数在不同日期会得到不同结果。

如果零件是 CNC 加工而非注塑，表面纹理性质不同。Ra 1.6–3.2 μm 的机加工面带有刀痕，实际接触面积与注塑面不同，导能筋也必须加工到同样的 0.25–0.5 mm 高度。机加工原型可以焊接，但注塑件到位后需重新调整振幅。