超聲波焊接是一種快速高效的連接技術(shù)，不需要焊劑和外部加熱。它的突出特點是焊接速度快，焊接強度高，焊縫質(zhì)量好，成本低廉且安全可靠。超聲波塑料焊接是最常用的塑料焊接方法，廣泛應用于電子、文具、食品、化妝、家電和玩具等行業(yè) 。
超聲波塑料焊接指的是利用超聲波振動將兩個熱塑性塑料產(chǎn)品熔接在一起的過程。當超聲波作用于塑料焊件時，接觸面之間和分子間的摩擦使結(jié)合處的溫度急劇上升，當溫度高至足以使塑料熔化時，兩個塑料焊件之間 將產(chǎn)生材料的熔體流動。當振動停止后，塑料熔體在壓力下固化并再結(jié)晶，而形成均勻的焊接，見圖1。由于熔體流動在焊接邊界上產(chǎn)生黏合并再結(jié)晶，焊接強度接近于原材料的強度。根據(jù)上文，理想的超聲波焊接的熱量應該只發(fā)生在焊接區(qū)域，見圖 2， 通過合理的能量導向結(jié)構(gòu) （又稱導能筋）來引導超聲波的熱量傳遞，這里的能導向結(jié)構(gòu)指的就是焊線結(jié)構(gòu) 。
1、超聲波焊線結(jié)構(gòu)設計
影響產(chǎn)品超聲波焊接效果的因素有很多 ， 其中一個重要因素就是焊接結(jié)構(gòu)的設計 。 焊線結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到后面焊接工藝的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量 。
1.1基本設計原則
如圖 3 所示 ， 一個理想的焊接結(jié)構(gòu)應該包括以下五個部分：① 能量引導： 引導超聲波能量在焊接區(qū)域產(chǎn)生熱量 ；② 焊頭完全接觸：焊頭要覆蓋超聲波焊接區(qū)域 ；③支撐：焊線結(jié) 構(gòu)正下方必須有支撐 ；④ 密封性 ： 預防熔接物溢出焊接區(qū)域 ； ⑤ 體積和位移的預留：確保熔體在焊接區(qū)域能自由流動，兩塑料焊件之間的間隙確保焊接不受阻。
當設計焊線結(jié)構(gòu)時 ， 如果實際產(chǎn)品中由于空間等原因，不能完全包括這五個基本結(jié)構(gòu)，設計師 要知道你失去的是哪個結(jié)構(gòu)，在不影響產(chǎn)品功能的前提下，與焊接工藝一起共同確保焊接質(zhì)量 。
（1）能量導向 。一般把焊線結(jié)構(gòu)上的尖角作為能量導向，將超聲波能量直接傳遞到焊接區(qū)域，而使零件本體不受高熱作用，這樣焊接時間短且所需能量少。如果沒有尖角作為能量導向，焊接時間會大大延長，零件的發(fā)熱區(qū)域也無法控制，容易發(fā)生熱損傷 。 如圖 4 所示 ，能 量導向的尖角角度（ɑ）常見的有45°、 60°、90° 和 120°， 根據(jù)超聲波焊接的能量傳遞效率和平衡 ， 90° 的能量傳遞效率最高 ， 有時也用 60°， 但 45° 和 120° 盡量不建議使用 。 能量導向的高度（h）由焊件的材料和壁厚決定 ， 一般來說 ， 能量導向的高度至少是壁厚（H）的一半 。 實際設計中，也可以根據(jù)不同塑料材料的可焊性做相應調(diào)整 ， 可焊性好的塑料焊件所需的能量導向高度可以小一些 ， 反之相反 。 考慮到能量導向如果太尖銳的話 ， 可能會比較脆弱 ， 而且模具也比較難實現(xiàn) ， 所以尖角的端部實際會有倒角結(jié)構(gòu) ， 但是該倒角半徑（R）不能超過 0.1mm。 另外 ， 根據(jù) “ 最弱點 ” 原則 ， 不要在焊接的其余任何位置設計多余的能量導向 ， 即其它結(jié)構(gòu)處的倒角半徑至少必須大于等于 0.2mm。
（2） 焊頭完全接觸 。 焊頭與上焊件的接觸面要覆蓋整個焊接區(qū)域 ， 一般來說焊接面需要比焊接區(qū)域的橫截面 大3 倍 ， 以確保能量傳遞損耗最小 。 另外 ， 在焊接過程中 ， 振幅會隨著焊接深度的加深而衰減 ， 考慮到振幅的要求，工藝設計時，將焊接區(qū)域盡可能地靠近焊頭 。
（3） 支撐 。 焊線下方必須有支撐，使得力能夠直接通 過焊線來傳遞。不要讓孔洞 、 階梯或者物件的彎曲使得力在傳遞過程中產(chǎn)生流失，一般由工裝來實現(xiàn)支撐保護 。另外，盡可能地讓支撐面靠件焊線結(jié)構(gòu)，且支撐面必須比焊線接縫大兩倍以上 。
（4） 密封性 。 密封的焊線結(jié)構(gòu) ， 如圖 5 所示 ， 可以使熔 體均勻地流入并填充焊接槽中 ， 使得熔體接觸面增大 ， 確保焊接黏合力 。 如果焊線結(jié)構(gòu)不密封 ， 塑料熔體容易離開焊接區(qū)域 ， 焊接黏合力也會隨著熔體塑料的減少而降低 ， 而且多出來的余料會溢出焊接區(qū)域 ， 導致產(chǎn)品外觀質(zhì)量缺陷 。 非結(jié)晶性塑料 （ 如 ABS） 不需要密封來保證焊接黏合力 ， 因為非結(jié)晶物料的熔體焊接力能通過自身 熔體的粘性來保證 ； 而對于結(jié)晶性塑料 （ 如尼龍 ）， 材料較軟不易吸收超聲波能量 ， 且受熱過程容易突然水化 ， 熔體流動不可控 ， 所以密封性焊線結(jié)構(gòu)則尤為重要 。 隨著科技的進步 ， 產(chǎn)品尺寸越來越小 ， 焊接區(qū)域壁厚通常在 1.0mm 左右 ， 沒有空間設計完整的密封區(qū)域 ， 這時也可以只封住一個面 。 可以將內(nèi)側(cè)面密封打開 ， 因為尼龍材料本身是絕緣的 ， 即使余料流到產(chǎn)品內(nèi)部 ， 對產(chǎn)品電氣性能也沒有影響 。 但是外側(cè)一定要密封住 ， 這樣既保證基本的焊接黏合力 ， 又能避免溢料影響外觀質(zhì)量 。
根據(jù)尼龍?zhí)赜械暮附有阅?， 在設計連接器產(chǎn)品上的焊線結(jié)構(gòu)時 ， 密封或半密封結(jié)構(gòu)是首要考慮因素 。 優(yōu)先的焊線結(jié)構(gòu)常見的有四種 ： 階梯式 、 舌槽式 、 斜截面式和 V 型槽式 。
（1） 舌槽式焊線結(jié)構(gòu) 。
舌槽式焊線結(jié)構(gòu)是完整的密封焊線結(jié)構(gòu)。如圖 6 所示，焊接余料完全包含在焊接區(qū)域內(nèi)。上焊件的導能筋與下焊件的配合槽單邊間隙建議在 0.05mm~0.1mm 之間。舌槽式焊線結(jié)構(gòu)需要較厚的壁，適用于壁厚大于 1.5mm 以上的焊接產(chǎn)品 。
（2） 階梯式焊線結(jié)構(gòu) 。
階梯式焊線結(jié)構(gòu)如圖 7 所示 ， 是典型的半密封焊線結(jié)構(gòu) 。 在外側(cè)增加阻擋 ， 防止焊料溢出表面而影響外觀 ， 但允許部分焊料流入產(chǎn)品內(nèi)部 。 如圖所示 ， 尺寸 h2 應該大于 h1（h2＞h1）， 不僅可以避免焊接硬阻力 ， 還可以增加產(chǎn)品的外觀美觀 。階梯式焊線結(jié)構(gòu)適用于壁厚在 1.0mm 左右的焊接產(chǎn)品 。
（3） 斜截面式焊線結(jié)構(gòu) 。
斜截面式焊線結(jié)構(gòu)也是一種 半密封焊線結(jié)構(gòu) 。 如圖 8 所示 ， 焊接余料包含在焊接區(qū)域以內(nèi) ， 但允許部分焊料流入產(chǎn)品內(nèi)部 。 斜截面角度 α 提供重要的能量導向 ， 角度值建議在 20°<α<35° 之間 ， 一般取 α≈25°。 該焊線結(jié)構(gòu)對注塑工藝的精度要求較高 ， 且需要較高的焊接能量 。斜截面式焊線結(jié)構(gòu)不需要太厚的壁 ， 適用于壁厚小于 1.0mm 的焊接產(chǎn)品 。
（4）V 型槽式焊線結(jié)構(gòu) 。
V 型槽式焊線結(jié)構(gòu)是介于完全密封和半密封焊線結(jié)構(gòu)之間 。 如圖9 所示 ， V 型槽的角度一般選 120°， 適用于 較小的焊接產(chǎn)品 。 該焊線結(jié)構(gòu)對注塑工藝的精度要求較高 ， 且也需要較高的焊接能量 。
合理的超聲波焊線結(jié)構(gòu)對焊接工藝穩(wěn)定和焊接溢料質(zhì)量的影響是巨大的，因此在設計超聲波焊接產(chǎn)品時應該提前做好功課。
