0 引言

超声波焊接是一种快速高效的连接技术，不需要焊剂和外部加热。它的突出特点是焊接速度快，焊接强度高，焊缝质量好，成本低廉且安全可靠。超声波塑料焊接是最常用的塑料焊接方法，广泛应用于电子、文具、食品、化妆、家电和玩具等行业。

1 超声波塑料焊接

超声波塑料焊接指的是利用超声波振动将两个热塑性塑料产品熔接在一起的过程。当超声波作用于塑料焊件时，接触面之间和分子间的摩擦使结合处的温度急剧上升，当温度高至足以使塑料熔化时，两个塑料焊件之间将产生材料的熔体流动。当振动停止后，塑料熔体在压力下固化并再结晶，而形成均匀的焊接，见图1。由于熔体流动在焊接边界上产生黏合并再结晶，焊接强度接近于原材料的强度。

根据上文，理想的超声波焊接的热量应该只发生在焊接区域，见图2，通过合理的能量导向结构（又称导能筋）来引导超声波的热量传递，这里的能导向结构指的就是焊线结构。

  

图1 超声波塑料焊接过程示意图Fig.1 The process of plastic ultrasonic welding

  

图2 热量产生示意图Fig.2 Heat generation

2 塑料的超声波焊接特性

只有热塑性塑料才能超声波焊接，因为热塑性塑料受热熔化再固化后，物理和化学特性前后不变。

热塑性塑料又分为结晶性塑料和非结晶性塑料。结晶性塑料有明显的熔点，固体时分子呈规则排列。规则排列区域称为晶区，无序排列区域称为非晶区，晶区所占的百分比称为结晶度，通常结晶度在80%以上的聚合物称为结晶性塑料。常见的结晶性塑料有：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚甲醛POM、聚酰胺PA6、聚酰胺PA66、热塑性聚酯PBT等。常见的非结晶性塑料有：ABS、聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、硬质PVC等。

能量导向的高度 （h）由焊件的材料和壁厚决定，一般来说，能量导向的高度至少是壁厚（H）的一半。实际设计中，也可以根据不同塑料材料的可焊性做相应调整，可焊性好的塑料焊件所需的能量导向高度可以小一些，反之相反。

 

表1 常用热塑性材料振幅表Tab.1 The amplitude of common thermoplastic materials

  

非结晶性塑料 A B S P C P C P V C－U（硬）2 0 K H z/振幅u m 2 5 3 0 1 8－2 5 2 5 1 5－2 0 1 2－1 8 3 5 2 5－3 0结晶性塑料 P A 6 P A 6（G F） P M M A P S P S（G F） P V C－P（软）（G F） P B T P B T（G F） P O M P O M（G F）2 0 K H z/振幅u m 3 5 3 0 4 0－4 5 3 7 4 0－4 5 3 5－4 0 4 0 3 5－4 0（G F） P A 6.6 P A 6.6

5）使用仪器，通过过流保护使装置报“跳闸”信号，可以手动复归；控制回路断线引起的装置告警信号在装置面板上无法手动复归，当且仅当将装置掉电重启后可手动复归一次，若复归后再出现由控制回路断线引起的告警仍无法手动复归。

3 焊线结构设计

（3）斜截面式焊线结构。 斜截面式焊线结构也是一种半密封焊线结构。如图8所示，焊接余料包含在焊接区域以内，但允许部分焊料流入产品内部。斜截面角度α提供重要的能量导向，角度值建议在 20°＜α＜35°之间，一般取α≈25°。该焊线结构对注塑工艺的精度要求较高，且需要较高的焊接能量。

尼龙 6（PA6）和尼龙 66（PA66）具有良好的绝缘性能，是连接器产品中最常用的材料。但是尼龙的吸水性对焊接不利，所以加玻璃纤维（GF－Glass Fiber）的尼龙超声波焊接性能更好。另外，尼龙在受热过程中会突然水化，即由固态瞬间转变成液态，熔体流动的边界不可控，焊线结构设计时要特别注意！

3.1 基本设计原则

如图3所示，一个理想的焊接结构应该包括以下五个部分：①能量引导：引导超声波能量在焊接区域产生热量；②焊头完全接触：焊头要覆盖超声波焊接区域；③支撑：焊线结构正下方必须有支撑；④密封性：预防熔接物溢出焊接区域；⑤体积和位移的预留：确保熔体在焊接区域能自由流动，两塑料焊件之间的间隙确保焊接不受阻。

当设计焊线结构时，如果实际产品中由于空间等原因，不能完全包括这五个基本结构，设计师要要知道你失去的是哪个结构，在不影响产品功能的前提下，与焊接工艺一起共同确保焊接质量。

由图9结果可以看出，频率在67.4、134.9、202.3处都出现了明显的峰值，且幅值随着频率的升高而递减，这些频率与理论计算得出的故障频率67.4 Hz及其2倍频134.8 Hz、3倍频 202.2 Hz都基本吻合；另外，在7.8 Hz以及15.6 Hz处也出现了峰值，初步分析该频率成分为轮对的转频及其二倍频。

  

图3 焊线基本结构Fig.3 Basic structure of welding line

随着科技的进步，连接器产品尺寸越来越小，焊接区域壁厚通常在1.0mm左右，没有空间设计完整的密封区域，这时也可以只封住一个面。可以将内侧面密封打开，因为尼龙材料本身是绝缘的，即使余料流到产品内部，对连接器的电气性能也没有影响。但是外侧一定要密封住，这样既保证基本的焊接黏合力，又能避免溢料影响外观质量。

将自己“包装”好，李志勇再次来到了昨天的酒店，昂首走进去要了间包房，这次，服务生愣是没认出他来。坐定后，他要过菜单，哗啦啦点了一堆野生菌菜肴，待菜上齐，他慢条斯理吃了两口，便拍桌子道:“你们菜单上不是写着新鲜野生菌吗?这根本就不新鲜！叫你们老板来！”

如图4所示，能量导向的尖角角度（ɑ） 常 见 的 有 45°、60°、90°和 120°，根据超声波焊接的能量传递效率和平衡，90°的能量传递效率最高，有时也用60°，但 45°和 120°尽量不建议使用。

  

图4 能量导向结构Fig.4 Energy guidance

从能量消耗角度而言，非结晶性塑料没有明确的熔点，塑料熔化所需超声波能量较少。随着焊接区域温度的上升，材质有高弹态逐渐向粘流态转变，并且能在较宽温度范围内熔化并逐渐凝固。而半结晶性塑料有确定的熔点且需要较高的熔融热，与非结晶性塑料相比，在焊接过程中需要更高的超声波能量和振动振幅。表1是常用热塑性塑料的超声波焊接振幅值，超声波焊接的振幅由材料自身决定的，振幅越小，超声波焊接性能越好。

第一，传统文化就涉及到历史教学的现实关注。在历史教学中应注重当前社会历史变革的重大问题,把握时代转型脉搏,回溯历史寻找适合当代社会主题的历史考试命题内容。意大利著名历史学家克罗齐说∶“一切历史都是当代历史”,这意味着历史研究是当代人对历史的反思,是从当代的现实和需要出发的。”它总是反映当代人的精神,和我们通常所说的历史参照功能的重要性相似。

（2）焊头完全接触。焊头与上焊件的接触面要覆盖整个焊接区域，一般来说焊接面需要比焊接区域的横截面大3倍，以确保能量传递损耗最小。另外，在焊接过程中，振幅会随着焊接深度的加深而衰减，考虑到振幅的要求，工艺设计时，将焊接区域尽可能地靠近焊头。

（3）支撑。焊线下方必须有支撑，使得力能够直接通过焊线来传递。不要让孔洞、阶梯或者物件的弯曲使得力在传递过程中产生流失，一般由工装来实现支撑保护。另外，尽可能地让支撑面靠件焊线结构，且支撑面必须比焊线接缝大两倍以上。

（4）密封性。密封的焊线结构，如图5所示，可以使熔体均匀地流入并填充焊接槽中，使得熔体接触面增大，确保焊接黏合力。如果焊线结构不密封，塑料熔体容易离开焊接区域，焊接黏合力也会随着熔体塑料的减少而降低，而且多出来的余料会溢出焊接区域，导致产品外观质量缺陷。

  

图5 焊线的密封结构Fig.5 Sealing structure

非结晶性塑料 （如ABS）不需要密封来保证焊接黏合力，因为非结晶物料的熔体焊接力能通过自身熔体的粘性来保证；而对于结晶性塑料（如尼龙），材料较软不易吸收超声波能量，且受热过程容易突然水化，熔体流动不可控，所以密封性焊线结构则尤为重要。

考虑到能量导向如果太尖锐的话，可能会比较脆弱，而且模具也比较难实现，所以尖角的端部实际会有倒角结构，但是该倒角半径（R）不能超过0.1mm。另外，根据“最弱点”原则，不要在焊接的其余任何位置设计多余的能量导向，即其它结构处的倒角半径至少必须大于等于0.2mm。

（1）能量导向。一般把焊线结构上的尖角作为能量导向，将超声波能量直接传递到焊接区域，而使零件本体不受高热作用，这样焊接时间短且所需能量少。如果没有尖角作为能量导向，焊接时间会大大延长，零件的发热区域也无法控制，容易发生热损伤。

3.2 常见的焊线结构

根据尼龙特有的焊接性能，在设计连接器产品上的焊线结构时，密封或半密封结构是首要考虑因素。优先的焊线结构常见的有四种：阶梯式、舌槽式、斜截面式和V型槽式。

富氧侧吹煤粉熔融还原工艺核心部件为侧吹喷枪。侧吹喷枪可喷吹富氧空气和煤粉，富氧浓度达70%～90%，冶炼废气量小，烟气热损失小。通过侧吹喷枪直接向熔体内部补热，燃料直接在熔体内燃烧，放出热量全部被熔体吸收，加热速度快，热量利用率高，可以快速有效调节熔池温度。

（1）舌槽式焊线结构。舌槽式焊线结构是完整的密封焊线结构。如图6所示，焊接余料完全包含在焊接区域内。上焊件的导能筋与下焊件的配合槽单边间隙建议在0.05mm～0.1mm之间。舌槽式焊线结构需要较厚的壁，适用于壁厚大于1.5mm以上的焊接产品。

同时企业规模小，不能吸引优秀人才加入，在菜品创新方面还比较欠缺，菜品是企业生存的基础，餐饮企业只有在菜品方面不断创新，才能满足用户的需求。

  

图6 舌槽式Fig.6 Tongue&groove

（2）阶梯式焊线结构。阶梯式焊线结构如图7所示，是典型的半密封焊线结构。在外侧增加阻挡，防止焊料溢出表面而影响外观，但允许部分焊料流入产品内部。如图所示，尺寸h2应该大于h1（h2＞h1），不仅可以避免焊接硬阻力，还可以增加产品的外观美观。阶梯式焊线结构适用于壁厚在1.0mm左右的焊接产品。

  

图7 阶梯式Fig.7 Step joint

影响产品超声波焊接效果的因素有很多，其中一个重要因素就是焊接结构的设计。焊线结构的好坏直接影响到后面焊接工艺的稳定性和焊接质量。

  

图8 斜截面式Fig.8 Mash joint

斜截面式焊线结构不需要太厚的壁，适用于壁厚小于1.0mm的焊接产品。

（4）V型槽式焊线结构。V型槽式焊线结构是介于完全密封和半密封焊线结构之间。如图9所示，V型槽的角度一般选120°，适用于较小的焊接产品。该焊线结构对注塑工艺的精度要求较高，且也需要较高的焊接能量。

  

图9 V型槽式Fig.9 V-joint

4 生产案例

生产反映产线有个连接器产品在超声波焊接过程中经常发生溢料，工艺需要临时调整焊接参数才能解决，严重影响生产效率，而且焊接的一致性也不好。工艺通过多轮焊接参数调整和优化，并不能完全解决溢料问题，转而从结构设计上分析原因。

（3）坝肩槽上下游边坡施工项目繁杂，关联性强，施工期存在相互交叉和重叠的问题，若未能统筹协调规划，相互之间可能存在较大的干扰。

医生约摸三十多岁。戴一副眼镜，镜片后闪烁着一对不大不小的眼睛。挑剔的眼睛。他判断着。果然，在翻阅了随手携带的病历后，医生诡异地撇撇嘴角。往前左拐，第三个门就是。他谢字还没有出口，女医生就在他背后丢下一句话：做丈夫的，怎么这么不小心？对自己老婆要心疼点。

通过信息收集，发现该连接器壳体的材料是尼龙加玻纤材料，而焊接区域是完全敞开式的焊线结构，没有任何遮挡。根据上述介绍的尼龙材料超声波焊接特有的水化特点，焊接瞬间焊料的流动边界不可控，而焊线结构外侧不封闭，所以才经常发生溢料问题。

根据上述焊接结构介绍，尼龙材料的焊线结构必须封闭或半封闭。为了保持现有的焊线高度和壁厚，将当前敞开式焊线结构调整为阶梯式半密封焊线结构，如图10所示。定制样品并做对比测试，焊接参数设置如表2所示，采用绝对深度焊接模式，分别测试了0.1mm、0.2mm和0.3mm三个焊接深度的溢料情况。对比测试结果见表3。

  

图10 优化前和优化后Fig.10 Before optimize and after optimize

 

表2 超声波焊接参数Tab.2 Characters of ultrasonic welding machine

  

起点和触点 启动压力 500N触发力 500发波前行 /焊接 振幅 85%振幅（标称） 3.0μm焊接压力F1 700N焊接压力F2 /超声波停止 焊接时间 0.143s能量 37J功率 484W RPN 距离 F1-F2 0.1mm、0.2mm、0.3mm绝对位置ABS 1.92mm保持和返回 保持时间 2s发波返回 /

 

表3 超声波焊接参数Tab.3 Characters of ultrasonic welding machine

  

焊接深度测试样件是否溢料0.1 m m 0.2 m m 0.3 m m当前结构 无 轻微溢料（不稳定） 严重溢料优化后 无 无 无

5 结论

对于以尼龙材料为主的连接器产品，在设计超声波焊线结构时，应考虑焊线结构的密封或半密封性。建议采用阶梯式半密封焊线结构，不仅零件壁厚较薄，模具注塑工艺简单，而且能从根本上解决溢料问题，降低生产工艺的不稳定性，大大提高了生产效率。

参考文献：

[1]海尔曼.超声波焊接基础知识[R].超声波塑料焊接基础培训，2016.

[2]T.Herrmann.塑料件超声波焊接工艺及焊接设计 [J].王立伟译自《Kunststoffe》1987，7.

[3]张胜玉.塑料超声波焊接技术（上）[J].塑料包装，2014，6.

[4]赵志鹏.玻纤增强尼龙超声波焊接焊线结构[J].科技信息，2009，6.

[5]梁延德.超声波塑料焊接件连接形式的研究[J].新技术新工艺，2003，11.

[6]高阳.塑料超声波焊接质量影响因素的研究进展[J].宇航材料工艺，2006，6.