超聲波焊接工藝參數(shù)

　　超聲波焊接主要工藝參數(shù)有：超聲波振幅、焊接時(shí)間、保壓時(shí)間、焊接壓力、超聲波頻率等。最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設(shè)備而定。焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)取決于零件的尺寸和剛度，尤其是焊頭接觸點(diǎn)和焊接接頭之間的距離。焊接能力受到塑料傳遞超聲振動(dòng)能力（且零件不受到損傷）的限制。

1.超聲頻率

　　超聲波常用的頻率有20、30、40 kHz， 15 kHz常用于半結(jié)晶性塑料。20 kHz是最常用的超聲波頻率，因?yàn)檫@一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率容易達(dá)到，但它可能產(chǎn)生大量難以控制的機(jī)械振動(dòng)，工具變得很大。產(chǎn)生較少振動(dòng)的較高頻率（40 kHz）是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強(qiáng)聚合物。高頻率焊接設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)包括：噪聲小、零部件尺寸小、增強(qiáng)零件保護(hù)（由于減少循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱）、提高機(jī)械能量的控制、降低焊接壓力、加快加工速度。缺點(diǎn)是由于零部件尺寸小，功率容量降低及由于振幅降低，難以進(jìn)行遠(yuǎn)場焊接。較高頻率超聲波焊機(jī)通常用于焊接小型、精密零件（如電氣開關(guān)）及材料降解需較少的零件。對(duì)于15 kHz的焊機(jī)能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20 kHz焊機(jī)焊接時(shí)的材料降解少。用20 kHz勉強(qiáng)能焊的零件（尤其是那些由高性能工程樹脂加工成的），用15 kHz能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長諧振長度，在所有維度可以做得更大。采用15 kHz的另一重要優(yōu)點(diǎn)是同使用較高頻率相比，大大降低了超聲波在塑料中的衰減，允許焊接更軟的塑料及更大的遠(yuǎn)場距離。

2.超聲波振幅

　　成功焊接取決于焊頭端部的適當(dāng)振幅。對(duì)于所有變幅桿/焊頭組合，振幅是固定的。根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得適當(dāng)程度的熔化。一般說來，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料相比需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅?，F(xiàn)代超聲波焊機(jī)上的過程控制允許分階。高振幅用于開始熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會(huì)改善剪切接頭設(shè)計(jì)零件的焊縫質(zhì)量。對(duì)于對(duì)接接頭而言，隨著振幅的增加，焊縫質(zhì)量提高且焊接時(shí)間減少。在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率（Qavg）取決于材料的復(fù)合損耗模量（E?）、頻率（ω）和作用應(yīng)變（ε0）： Qavg=ωε02 E?/2 熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān)。在達(dá)到熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在加熱開始后，焊接界面處的溫度急升（達(dá)1 000 ℃/s）。作用應(yīng)變與焊頭的振幅成正比，所以可以通過改變振幅來控制焊接界面的加熱。振幅是一個(gè)控制熱塑性塑料擠壓流動(dòng)速率的重要參數(shù)。高振幅時(shí)，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料流動(dòng)速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生大量飛邊及焊縫強(qiáng)度較低。高振幅對(duì)于開始熔化是必需的。太低的振幅產(chǎn)生不均勻的開始熔化和過早的熔體凝固。當(dāng)增加振幅時(shí)，更大量的振動(dòng)能量消耗在熱塑性塑料中，待焊零件承受更大應(yīng)力。在整個(gè)焊接循環(huán)過程中振幅恒定時(shí)，通常采用的是對(duì)待焊零件不至于產(chǎn)生過量損害的最高振幅。對(duì)于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這可能是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以機(jī)械調(diào)節(jié)（通過更換變幅桿或焊頭）或者電氣調(diào)節(jié)（通過改變提供給換能器的電壓）。在實(shí)踐中，較大振幅調(diào)節(jié)采用機(jī)械方式而微調(diào)用的是電氣方式。高熔點(diǎn)材料、遠(yuǎn)場焊縫及半結(jié)晶性塑料通常需要比非結(jié)晶性塑料和近場焊縫更大的振幅。非結(jié)晶性塑料典型的總振幅范圍是30~100 μm，而結(jié)晶性塑料為60~125 μm。振幅分階能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熔體流動(dòng)和一致的高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于開始熔化，然后振幅和作用力下降以降低沿焊合線的分子取向。

3.  超聲焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是施加振動(dòng)的時(shí)間。每一用途合適的焊接時(shí)間由試驗(yàn)確定。增加焊接時(shí)間會(huì)提高焊縫強(qiáng)度直至達(dá)到最佳時(shí)間為止。進(jìn)一步增加焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低或者只是稍稍增加強(qiáng)度，而與此同時(shí)會(huì)增加焊縫飛邊和提高產(chǎn)生零件壓痕的可能性。避免過焊是很重要的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生需修整的過量飛邊，這可能降低焊縫質(zhì)量，在需密封接頭的零件中產(chǎn)生漏隙。焊頭可能擦傷表面。較長焊接時(shí)間時(shí)在遠(yuǎn)離接頭區(qū)域的零件部分還可能出現(xiàn)熔化和斷裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

4.  保壓時(shí)間

　　保壓時(shí)間是指焊后零件在無振動(dòng)壓力下結(jié)合和凝固的標(biāo)稱時(shí)間。在大部分情況下，它并不是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，0.3~0.5 s一般足夠了，除非內(nèi)載荷易于拆開焊接零件（如焊前壓縮的螺旋彈簧）

5.  焊接壓力

　　焊接壓力提供了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動(dòng)傳入零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝固時(shí)，同樣的靜載荷確保零件連成一體。最佳壓力的確定對(duì)于良好焊接是必不可少的。如果壓力過低，會(huì)造成能量傳遞差或不足的熔體流動(dòng)，導(dǎo)致不必要的長時(shí)間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會(huì)減少實(shí)現(xiàn)相同位移所需的焊接時(shí)間。如果壓力過高，會(huì)造成沿流動(dòng)方向的分子取向及降低焊縫強(qiáng)度，可能產(chǎn)生零件壓痕。極端情況下如果相對(duì)于焊頭端部振幅來說壓力過高，可能會(huì)過載、使焊頭停止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。隨著振幅的增加，可接受的壓力范圍變窄。因此高振幅時(shí)最重要的是找到最佳壓力。大多數(shù)超聲波焊接是在恒壓或恒力下進(jìn)行的。對(duì)于某些裝置，循環(huán)過程中力是可以改變的，即進(jìn)行力分階（force profiling），在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環(huán)后期下降的焊接壓力或作用力減少了從接頭處的材料擠出量，延長分子間擴(kuò)散時(shí)間，減低分子取向并提高焊縫強(qiáng)度。對(duì)于有較低熔體黏度類似聚酰胺的材料而言，這可能大大提高焊縫強(qiáng)度。

6.  焊接模式

　　按時(shí)間焊接稱之為開環(huán)過程。待焊零件在焊頭下降和接觸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固定時(shí)間，通常是0.2~ 1 s。這個(gè)過程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假設(shè)固定的焊接時(shí)間導(dǎo)致固定量的能量作用于接頭，產(chǎn)生可控量的熔化條件下的理想情況。實(shí)際上，從一個(gè)循環(huán)到下一循環(huán)保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個(gè)因素造成的（如兩零件之間的配合）。因?yàn)槟芰侩S功率和時(shí)間而變化，時(shí)間固定，施加的能量從一個(gè)零件到下一零件會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于一致性非常重要的大批量生產(chǎn)，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反饋控制的閉環(huán)過程。超聲波機(jī)器軟件測量吸收的功率并調(diào)節(jié)加工時(shí)間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個(gè)過程的假設(shè)是如果每道焊縫消耗的能量相同，接頭處熔化材料的數(shù)量每次是相同的。然而實(shí)際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。結(jié)果，某些零件可能比其它零件獲得更多的能量，可能造成焊縫強(qiáng)度不一致。按距離焊接允許零件按特定的焊接深度連接。這種模式運(yùn)作不取決于時(shí)間、吸收的能量或功率，補(bǔ)償模制件中的任何尺寸偏差，因而最好地保證了每次在接頭中熔化相同數(shù)量的塑料。為了控制質(zhì)量，可以對(duì)形成焊縫所用的能量或所花的時(shí)間設(shè)定限度。