超声波焊接是一种被广泛认可和接受的用于连接热塑性材料的工艺。它提供了许多优势，包括工艺可靠性和可重复性、比其他连接技术更低的能源使用、节省材料（因为不需要消耗品，例如胶水或机械紧固件）以及节省劳动力。

但与任何过程一样，在某些情况下，出现明显问题会影响生产。解决和避免这些问题的关键是了解它们的原理。成功使用超声波焊接的加工通常具有两个主要特征：他们拥有经过充分证明的、经过验证的焊接工艺；这需要一个专业的经验丰富的工程师支持和维护。

什么是超声波焊接

超声波焊接工作过程在检查超声波焊接问题的常见原因之前，让我们花点时间了解焊接周期本身。在超声波焊接中，通过振动超声波焊头在两个产品零件的表面施加高频振动。焊接是由于零件之间的界面处产生的摩擦热而发生的。超声波振动由一系列组件（电源、转换器、增压器和焊头）产生，这些组件将机械振动传递给零件。

了解超声波焊接设备

如图1所示，电源采用标准电线电压并将其转换为工作频率。在以下示例中，我们将使用20kHz的常见超声波焊接频率，但焊接可以在15至40kHz的范围内进行以满足特殊需求。在工作中，电源以指定频率通过射频电缆向转换器发送电能。转换器利用压电陶瓷将电能转换为电源工作频率下的机械振动。这种机械振动会根据变幅杆和工具头的振幅的设计增加或减少。适当的机械振动幅度由应用工程师确定，这取决于零件中使用的热塑性材料的种类。

超声波焊接的过程

待焊接的零件承受机械负载，通常使用气动驱动器带动超声波振动单元。在此压力载荷下，机械振动传递到材料表面之间的界面，从而集中振动以产生分子间和表面摩擦。这种摩擦会产生热量和随后的熔化，然后凝固成焊接结合。

超声波的振幅和频率

超声波焊接机是超声波发生器、换能器系统和程序控制（见图2）。电源采用标称v的线路电压，并将其转换为高压、高频信号。它还包含超声波换能器和参数控制，以实现所需的焊接结果。气动或电动伺服操作的执行器可作为独立的台式装置或集成到自动化系统中，将超声波工具移向要连接的零件。它向材料施加所需的压力，以帮助创造焊接条件。

超声波振动单元。它通过与零件的直接接触将振动能量传递到产品表面。超声波振动单元通常由三部分组成：超声波换能器，其中包含以施加的电源信号的频率振荡的压电陶瓷晶体。当这些晶体振荡时，它们会物理膨胀和收缩，从而在换能器的输出侧产生可测量的机械运动（称为峰峰值幅度）。

第二部分是增压器或变幅杆，在其中间部分带有一个连接环，有两个功能：它作为振动系统的固定安装点，还用于放大或减少传感器中产生的输出运动。

超声波振动系统固定

振动系统的第三个也是最后一个组件是超声波焊头，活成超声波模具，它将接触要连接的零件。超声波模具将被设计成与塑胶产品的外轮廓相匹配，或者可以在薄膜/纺织品应用中将密封轮廓添加到其接触面。对于每种应用，焊头都设计为与换能器组件结合，以达到最佳的振幅输出水平，从而尽可能高效地进行超声波焊接。

超声波常见问题通常发生在以下四个方面之一：

1.设备：超声波焊接设备或各种焊接部件不适合应用。2.工艺参数：使用的参数不适合被连接的零件。3.材料：零件中使用的材料的类型、成分或物理/机械特性发生变化。4.零件设计：零件几何形状的某些细节不适合可重复或成功的焊接。

产品设计原则

还应该注意的是，有时在一个领域发现的问题可能会暴露另一个领域的弱点或不足。

各种各样的超声波焊接结构振幅对超声波焊接的影响压力对超声波焊接的影响

让我们从设备开始。认为在一种应用中产生成功焊接的设备和方法在另一种应用中也能成功是很容易的，而且通常是合乎逻辑的。但这并非普遍适用。在世界范围内，20kHz超声波焊接机是迄今为止使用最广泛的；由于它们的多功能性，这些焊机可以提供高功率（高达W）和高振幅输出，并且它们可以适应各种可用的工具尺寸。对于采购商来说，它们尽力选用了一些比较大功率的超声波设备，因为它有望在未来的许多应用中使用。

然而，在某些情况下——尤其是对于小而精密的部件——20kHz设备的高功率、高振幅能力可能证明对某些组件过于“激进”，可能会导致损坏。一种可能的解决方案是降低输入幅度，但如果施加的幅度低于所焊接聚合物的推荐水平，则这将不起作用。

因此选用较高频率的设备产生较低幅度的输出，但通过以较高频率共振来进行补偿。因此，在将超声波能量应用于零件时，高频焊工被认为“更温和”。电子组件，尤其是那些带有精密定时器/振荡器、（晶振）和位于印刷电路板上的贴片电子组件，超声波不易产生破坏作用。

另一个潜在因素是设备故障。这些很少在没有发生警告的情况下发生。一个明显的例子是焊机操作时产生的噪音的变化或增加。有经验的操作员和维护人员通常会适应这种微妙的谐波波动，并应始终与主管沟通这些变化。如果发现有异常响声，请及时处理检查。

工艺参数和材料仔细控制和记录工艺参数是另一个不容忽视的领域。医疗和汽车零部件生产商知道这一点并遵循严格的程序，这些程序通常由FDA等监管机构强制执行，从而在使用超声波焊接时取得了很大的成功。

不幸的是，其他产品（例如玩具或一次性产品）的加工商通常在不那么严格的要求下运作，并且实施的过程控制要弱得多。在此类情况下，操作员通常会根据不断变化的零件或生产条件不断调整设置。虽然这种方法可能会导致令人满意的生产，但当过程参数频繁变化时，发生的任何问题都难以诊断，尤其是远程诊断。例如，最近的参数更改是由设备问题还是零件组成或质量的变化引起的？

通常，当此类应用需要帮助时，超声波焊接应用工程师在询问有关零件的一些基本问题（材料、接头设计、测试要求和当前机器设置）后，可以指导客户找到合适的解决方案。如果可以使用生产零件直接在机器上完成故障排除，则此方法特别有用。

与材料相关的问题是生产中出现不一致或问题的常见原因。如以下示例中所述，即使材料的微小变化也会对焊接或生产质量产生巨大影响：

不同塑料的相熔性

聚合物变化。随着价格的波动，加工商出于经济原因想要在相似的聚合物之间进行转换是很常见的。但是，在进行任何更改之前咨询超声波焊接应用专家是明智之举。

一个常见但可能带来麻烦的变化的一个例子是从易于焊接的无定形材料（如ABS）转变为更难焊接的半结晶聚合物（如PP）。为了成功焊接，ABS需要比PP（90-微米）更低的超声波堆栈输出（在20kHz时为30-70微米）。如果这种变化导致零件没有以前的强度，或者焊接时间更长，或者如果焊接对敏感的装配表面/组件造成损坏，则问题可能是缺乏超声波堆栈输出。有必要检查堆栈组件，特别是喇叭和助推器，以确定对任一组件的改进是否能让应用程序有效地焊接新聚合物并使应用程序恢复到“正常”的成功范围。

再生料含量高。再研磨的热塑性塑料虽然能够多次熔化和重整，但在每次后续熔化时，其物理性能都会发生一定程度的退化。过多重新研磨材料的累积效应可能导致零件无法满足规格要求。因此，Branson建议在要进行超声波焊接的零件中使用的再生料不要超过10％。在需要符合严格测试和验收标准的特定应用中，生产商应强烈考虑对生产材料进行定期分析，以不断验证进入成品零件的材料质量。

填料含量。通常，填料对于确保部件强度和耐用性至关重要。然而，零件中不同类型和百分比的填料会影响塑料连接工艺的成功。布兰森建议填料含量保持在30%以下。接合含有较高比例填料（尤其是长纤维）的部件有时会导致填料在焊接接头处积聚，从而降低焊接强度。

另一个问题是磨料填料。一些赋予附加强度或韧性的填料，包括碳酸钙、二氧化硅和滑石，也可能会磨损工具的接触表面。磨损零件长时间暴露于工具表面会导致磨损，从而导致零件外观损坏和向零件连接表面传递的能量不足。

建议更换为具有耐磨表面（例如碳化物或氮化钛）的钛焊头。对于夹具，建议使用钢或硬化不锈钢。

多年来，塑料的超声波焊接一直依赖于一种简单的“按时间焊接”的过程控制方法（见图1）。设置计时器既简单又可靠，但有很大的缺陷。特别是，它是一个没有过程反馈的开环系统。这意味着它无法对零件、电力或焊接系统功能的变化进行自我监控和自我纠正。

对产品质量和超声波在更关键应用（例如，医疗和汽车）中的使用的加强

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