塑料嵌件的超声波焊接工艺及常见问题分析

原创线束中国 2024-09-25 09:58

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【摘要】文章介绍钢件上塑料嵌件的超声波焊接工艺，通过该结构的超声波焊接原理，结合产品需求确定焊接工艺及参数，以试验对比优化焊接过程，总结常见的焊接问题，形成可靠的焊接工艺，为类似结构的超声波焊接提供工艺思路和方法。

1 超声波焊接原理及结构

超声波焊接结构如图1所示，通过超声波发生器将50/60Hz电流转换成15~40kHz高频电能输出给换能器的压电陶瓷，使换能器产生同等频率的机械振动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头，焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的结合部，在该区域振动能量使2个物体表面相互摩擦，摩擦产生热能在焊接区域形成分子层之间的熔合，冷却固化后完成嵌件的焊接，如图2所示。

本文采用的钢件材料为高碳钢，在焊接前表面镀了一层涤纶树脂膜，采用特殊的涂层工艺使其附着力良好，产品结构如图3所示。金属焊接嵌件时，焊头采用凸极式的点焊模式，凸极在钢带表面摩擦，使金属局部快速升温，当温度超过220℃时，塑料嵌件开始熔化，由于压力作用开始与金属表面的塑料形成分子连接，当温度达到250℃时，两种塑料零件充分连接，在金属焊接面形成可靠的粘接力，具体焊接部位剖面图如图4所示。

2 超声波焊接工艺及参数匹配

超声波焊接功率公式如下：

式中：P———焊接功率；k———系数；H———材料硬度；δ———焊接零件厚度。

产品选用功率为3kW的常规超声波焊接设备，足够满足工艺需求。

2.1 零件装配及压紧

塑料嵌件与钢带之间的焊接主要作用是将塑料零件固定，所以需要确保良好的粘接力，同时相对位置也需要保证一致性，通过辅助工装对产品进行定位以确保焊接位置一致性。将设备的焊头下降至图5所示位置，实现对焊接面的压紧，通常用设备的焊接延迟时间、触发压力来达到压紧目的。

2.2 焊接参数

超声波焊接主要工艺参数有：频率、振幅、焊接压力、焊接时间等。

1）频率。根据产品结构，超声波焊接机采用较低的谐振频率，通过设备的实时频率搜索，频率控制锁定在19.8kHz。

2）振幅。振幅决定了摩擦功的大小，且与材料表面上氧化膜的去除效果、塑料流动状态以及粘接表面的加热温度有关，并不能直接得出，于是需要从较低的振幅逐渐递增，找到焊接的最佳振幅。振幅与焊接的关系见表1。

通过试验可以看出，振幅太小，摩擦功不足，焊接面没有充分熔化，导致焊接强度不足。振幅过大时，焊接时产生了较多的焊渣，塑料嵌件底部变形，由于存在较大的形变和应力，实际的焊接强度也下降了。由此，选用60%左右的振幅比较合适。

3）焊接压力。焊接压力为焊头直接传递到焊接零件表面的压力。当压力过小时，焊头与工件的摩擦系数太小，不能在零件表面形成有效的摩擦功，导致加热温度不足，产品的熔接程度不足，降低焊接强度；当压力过大时，摩擦系数过大，阻碍了焊头的振动，导致振幅减小，同样降低焊接强度。由于不同焊接需要的压力不相同，也需要通过由小到大递增的方式进行试验。最简单的评估方法是声音，摩擦时焊头与金属之间会产生摩擦声，一般情况下摩擦声音越响亮，摩擦功也就越大，塑料嵌件的焊接压力控制在0.4MPa左右最佳。另外，通过试验发现塑料嵌件的焊接需要对焊头的高度进行限位，焊接过程中，摩擦功传递到塑料嵌件的能量使塑料熔化的过程中，也可导致嵌件底部与工装的支撑面变形或者压塌，所以需要增加下降限位，确保焊头不能继续下降。压力与焊接的关系见表2。

4）焊接时间和焊接能量。焊接时间是将超声波能量传输到焊接零件上的时长，焊接时间越长，焊接能量越大，同样焊接能量也是靠一定时间将能量完全释放的过程，这两种模式都可以用来控制能量的大小。随着焊接时间的加长，摩擦功在金属表面产生的温度就越高。通过试验，焊接时间控制在0.9~1.1s，能量在300~330J范围内，焊接效果比较理想，试验结果见表3。

2.3 固化

焊接后，金属表面的温度还比较高，立即将产品取出，由于熔接表面还没有完全固化，压力释放后，焊接部位的强度也会受到影响，甚至出现裂纹或者虚焊的情况。

一般的固化时间在0.5~4s内调整，具体的时间可以通过试验对比法、经验调整法、厂家设备参考等确定。

3 超声波焊接品质的优化

在超声波焊接时，稳定性很重要，连续的生产过程中往往会出现波动，较大的波动甚至会影响焊接的品质。以嵌件焊接为例，由于采用点焊模式，焊接直接决定摩擦功的能量大小，不考虑设备波动影响的情况下，原材料的一致性尤为重要。焊接产品时，靠塑料嵌件的底部做支撑，嵌件凹槽内部做焊接面，这2个面的平行度和平面度非常重要，但是注塑工艺在零件表面会产生脱模斜度，此时设计零件时的脱模斜度应在非焊接面上，以保证焊接面的平面度，如图6所示。另外塑料嵌件加工出来后，需要放置24h以上，彻底消除塑性应变力的影响。

由于采用的两点焊接常出现一端焊接牢固，另一端焊接稍差，这主要是焊接时焊点与焊接面的平行度不良，导致2个焊点的压力不一致，摩擦功传递的能量不一致，需要定期校正焊点。通常最简单的方法是使用水平块校直焊点高度，将设备调至准备/调试模式（只下压不焊接），下压至水平块上，测量焊点与水平块之间的间隙，确保焊点平行。如果焊点平整后依然有此问题，塑料嵌件就应该注意安装的位置和方向，以保证每次的装配误差最小。焊接的稳定性也受环境影响，其中电压和气压的影响最为明显。如果电压长期不稳定，需要配置稳压器。如果气压不稳定，可以增加储气罐，减少气压波动。

4 常见问题分析

在正常焊接过程中，发现焊接合格率大幅下降，检查工艺过程均未发生改变，主要的原因很可能是塑料嵌件可焊性降低。

1）塑料嵌件受潮后，吸收了空气中的水分，焊接时由于焊点传递的摩擦功没有变化，但是由于水分的存在，导致焊接面温度降低，同时表面挥发的水膜也会阻碍塑料分子链的形成，导致焊接强度下降，所以焊接前应对塑料嵌件做烘干处理。

2）表面脏污。脱模剂、杂质、油污等对超声波焊接有一定影响，虽然超声波焊接时有将加工面的溶剂、杂质、油污等振出的作用，但是对于这种面接触焊接的塑料零件，其作用很有限，所以应尽可能去除表面的污染，保证良好的可焊性。

3）再生塑料的焊接强度较差，对超声波焊机适应性很差，所以不建议使用再生塑料。

5 结束语

塑料嵌件的超声波焊接工艺受多种因素的共同影响，需要从物料特性、物料尺寸、物料存储及使用环境、设备参数、设备稳定性、设备维护、工装尺寸等多方面综合考虑，并需要通过具体的生产情况做相应的优化和调整，才能保证产品可靠的焊接品质。

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来源：《汽车电器》2024年9期，作者：郭智敏，周林，王世军，杜文权，本公众号经授权可以以原创形式刊登。

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