超聲波焊接技術(shù)

超聲波焊接新技術(shù)應(yīng)用超聲波塑料焊接超聲波金屬焊接超聲波釬焊

許志武博士/副教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2023/1/311連接技術(shù)分類(lèi)焊接技術(shù)：

將兩種或兩種以上的（同種或異種）材料通過(guò)原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散造成永久性連接的工藝過(guò)程。焊接與機(jī)械連接（如鉚接）和粘接的差異：

被連接的材料不僅在宏觀上建立了永久性的聯(lián)系，而且在微觀上建立了組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。焊接技術(shù)的主體內(nèi)容：

涵蓋熔化焊接、釬接和固相焊接幾部分。2023/1/312超聲波塑料焊接焊接原理：(1)振動(dòng)垂直焊接表面(2)振動(dòng)摩擦生熱(3)無(wú)填充材料(4)點(diǎn)焊(4)自動(dòng)化程度高(5)易實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的閉環(huán)間接監(jiān)控特性：2023/1/313超聲波塑料焊接焊接設(shè)備原理：1、超聲波發(fā)生器2、聲學(xué)系統(tǒng)換能器變幅桿聲極3、加壓系統(tǒng)4、程序控制系統(tǒng)2023/1/314超聲波塑料焊接超聲波焊接過(guò)程示意圖振動(dòng)摩擦；溫度升高；塑性融合工藝參數(shù)：超聲波振幅、頻率（功率）；焊接時(shí)間；焊接壓力2023/1/315超聲波塑料焊接超聲波焊接機(jī)制：（1）機(jī)械嵌合：超聲波焊接接頭中常見(jiàn)到兩焊件接觸處形成塑性流動(dòng)層，并呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的機(jī)械嵌合。（2）化學(xué)鍵結(jié)合：高分子聚合物受熱后分子鏈斷裂，連接界面融合、降溫后分子鏈重新連接，形成化學(xué)鍵結(jié)合。超聲波焊接可靠性：2023/1/316

無(wú)導(dǎo)能筋有導(dǎo)能筋超聲波焊接界面溫度分布超聲波塑料焊接超聲波焊接工藝——接頭設(shè)計(jì)2023/1/317

a)10μm

矩形導(dǎo)能筋不同振幅超聲波焊接界面溫度分布b)20μmc)30μmd)40μm2023/1/318

a)10μm

三角形導(dǎo)能筋不同振幅超聲波焊接界面溫度分布b)20μmc)30μmd)40μm2023/1/319超聲波塑料焊接接頭形式：（1）平面熔接法（2）鉚接法（3）嵌插法（4）點(diǎn)焊法2023/1/3110超聲波塑料焊接可焊材料種類(lèi)：（一）熱塑性塑料熱塑性塑料材料指成型后再加熱可重新軟化加工而化學(xué)組成不變的一類(lèi)塑料。其樹(shù)脂在加工前后都為線性結(jié)構(gòu)，加工中不發(fā)生化學(xué)變化，具有可熔、可溶的特點(diǎn)。

這類(lèi)樹(shù)脂很多，具體如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺類(lèi)、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酯類(lèi)、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、氟塑料類(lèi)、聚苯硫醚、聚砜及聚酰亞胺等。（塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接質(zhì)量有很大的關(guān)系。填充物含量低于20%的塑料可以正常進(jìn)行焊接。填充物含量超過(guò)30%時(shí)，由于表面塑料比例不足，分子間融合的不夠，會(huì)降低密封性）。

（二）熱固性塑料（不可焊）

熱固性塑料材料指成型后不能再加熱軟化而重復(fù)加工的一類(lèi)塑料。其樹(shù)脂在加工前為線性預(yù)聚體，加工中發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使制品內(nèi)部成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有不溶、不熔的特點(diǎn)。如酚醛樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及不飽和樹(shù)脂等。

2023/1/3111超聲波塑料焊接塑料特性與焊接關(guān)系：絕大部分常用的注射型聚合物都可以采用超聲波焊接，但焊接的難易與塑料本身的特性關(guān)系密切。（一）塑料的摩擦系數(shù)越大，導(dǎo)熱性越差，界面越容易形成熔融狀，可焊性越好；（二）塑料越硬，平面焊接時(shí)，對(duì)振動(dòng)傳輸損耗越小可焊性越好，反之，軟材料較難焊接；（三）結(jié)晶型材料由于從固態(tài)到熔融狀態(tài)溫度范圍太窄，較無(wú)定形材料可焊性差；（四）軟塑料在鉚焊和嵌插焊時(shí)較硬塑料容易。

2023/1/3112熱塑性塑料超聲波焊接的相容性示例圖表A

B

SABS/聚碳

酸酯

合金

（賽

柯樂(lè)800）聚

甲

醛丙

烯

腈丙烯酸系多元共聚物丁

二

烯-苯

乙

烯纖維

素(CA,

CAB,

CAP)氟

聚

合

物尼

龍亞苯基-氧化物為主的樹(shù)脂（諾里爾）聚酰胺-酰亞胺（托郎）聚

碳

酸

酯熱

塑

性

聚

酯聚

乙

烯聚

甲

基

戊

烯聚

苯

硫聚

丙

烯聚

苯

乙

烯聚

砜聚

氯

乙

烯SAN-NAS-ASAABS■■

■○

○○ABS/聚碳酸酯合金

（賽柯樂(lè)800）

■■

○

■

聚甲醛

■

丙烯腈■○

■○

○

○

○丙烯酸系多元共聚物○

○■

○

○丁二烯-苯乙烯

■

○

纖維素(CA,CAB,CAP)

■

氟聚合物

■

尼龍

■

亞苯基-氧化物為主的樹(shù)脂（諾里爾）

○

■

○

■

○

聚酰胺-酰亞胺（托郎）

■

聚碳酸酯

■

○

○

■

○

熱塑性聚酯

■

聚乙烯

■

聚甲基戊烯

■

聚苯硫

■

聚丙烯

■

聚苯乙烯

○○

■

■

○聚砜

○

■

聚氯乙烯○

■

SAN-NAS-ASA○

○○

○

○

■2023/1/3113超聲波塑料焊接塑料制品焊接三要素：（1）超聲波焊接能量能量=壓力х時(shí)間х振幅（2）焊接面設(shè)計(jì)（3）定位卡具2023/1/3114超聲波塑料焊接應(yīng)用實(shí)例：汽車(chē)行業(yè)；電子行業(yè)；醫(yī)療行業(yè)；無(wú)紡布行業(yè)；家電行業(yè)；辦公用品；包裝行業(yè)。。。2023/1/3115汽車(chē)行業(yè)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)泡沫覆蓋件35kHz

2023/1/3116

排水收集管口連接點(diǎn)35kHz

2023/1/3117汽車(chē)前蓋擋板焊接20kHz

2023/1/3118

汽車(chē)尾燈焊接35kHz

2023/1/3119FilterscheibeinRückleuchte

35kHz

2023/1/3120汽車(chē)換檔把手連皮革/人造革20kHz

2023/1/3121

車(chē)鏡背襯三角20kHz

2023/1/3122

Spiegel-AnbaudreieckA-KlassePA66GF20kHZ2023/1/3123

車(chē)門(mén)側(cè)板35kHz

2023/1/3124

Pkw-TürseitenverkleidungDetailLautsprechergitter35kHz

2023/1/3125

汽車(chē)儀表盤(pán)20kHz

2023/1/3126前擋面板20kHz

2023/1/3127

轎車(chē)進(jìn)氣管內(nèi)殼20kHz,端塞35kHz

2023/1/3128

電池充電器焊接20kHz

2023/1/3129

寶馬前車(chē)架儀表環(huán)20kHz

2023/1/3130

汽車(chē)徽標(biāo)和車(chē)窗零件20kHz

2023/1/3131

MB-徽標(biāo)PP-GF20kHz2023/1/3132

容器蓋焊接20kHz

2023/1/3133

空調(diào)插座20kHz

2023/1/3134

保時(shí)捷V8汽缸頭蓋2023/1/3135機(jī)油過(guò)濾器20kHz

2023/1/3136柴油機(jī)燃油過(guò)濾器20kHz

2023/1/3137Wasistdas?

2023/1/3138煙盒20kHz

2023/1/3139交通反光器材PC20kHz

2023/1/3140吸入器35kHz

2023/1/3141

PC-ABSMessgeh?use

Schwei?ung1:IR-Fenster

Schwei?ung2:Sichtscheibe電子行業(yè)2023/1/3142

Anwendungs-Technik

PC-ABSMessgeh?use

Schwei?ung1:IR-Fenster

Schwei?ung2:Sichtscheibe2023/1/31432023/1/3144其它行業(yè)日用包裝：

防偽酒瓶蓋、自封袋、購(gòu)物手提袋、牙簽盒、紙杯、方便面紙碗、乳品包裝盒、冷凍精液軟管包裝、指甲剪盒等。醫(yī)療器械：

血漿分離杯、白細(xì)胞過(guò)濾器、加藥三通、無(wú)菌接頭、空氣過(guò)濾器、（精密）藥液過(guò)濾器、穿瓶針、擴(kuò)張器、氧氣瓶接頭等。文具玩具：

墨盒、文件夾、名片夾、相冊(cè)、半圓儀、玩具眼振落、玩具奶嘴、閃光球、鑰匙鏈、手機(jī)掛件等。服裝箱包：

子母扣、拉鏈、花邊、頭飾、鞋墊、手機(jī)吊帶、背包帶、打包帶等。

2023/1/3145超聲波金屬焊接焊接原理：超聲波金屬焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

焊接過(guò)程：（1）振動(dòng)摩擦階段：超聲波金屬焊接的第一個(gè)過(guò)程主要是摩擦過(guò)程，其相對(duì)摩擦速度與摩擦焊相近，只是振幅僅僅為幾十微米。這一過(guò)程的主要作用是排除焊件表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，使純將的金屬表面暴露出來(lái)。

2023/1/3146超聲波金屬焊接（2）溫度升高階段：在繼續(xù)的超聲波往復(fù)摩擦過(guò)程中，接觸表面溫度升高（焊區(qū)的溫度約為金屬熔點(diǎn)的35％～50％），變形抗力下降，在靜壓力和彈性機(jī)械振動(dòng)引起的交變節(jié)應(yīng)力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動(dòng)不斷進(jìn)行，使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入到被焊材料內(nèi)部，促使純金屬表面的原子無(wú)限接近到原子能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，出現(xiàn)原子擴(kuò)散及相互結(jié)合，形成共同的晶?；虺霈F(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。（3）固相接合階段：隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，微觀接觸面積越來(lái)越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內(nèi)甚至形成渦流狀的塑性流動(dòng)層，出現(xiàn)焊件間的機(jī)械咬合。

2023/1/3147超聲波金屬焊接結(jié)合機(jī)制：（1）機(jī)械嵌合（2）金屬原子間的鍵合：當(dāng)原子間距＜0.3nm時(shí)，就可形成金屬鍵

（3）金屬間的物理冶金：摩擦生熱引起再結(jié)晶、擴(kuò)散

（4）界面微區(qū)的熔化現(xiàn)象

2023/1/3148超聲波金屬焊接焊接優(yōu)點(diǎn)

1）焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。

2）能實(shí)現(xiàn)同種、異種、金屬與非金屬之間的焊接。

3）不加熱、通電，適合于高導(dǎo)熱、導(dǎo)電金屬如銅、鋁的焊接。

4）焊接后導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低或近乎零。

4）對(duì)焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。

5）焊接時(shí)間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。

6）焊接無(wú)火花，環(huán)保安全。缺點(diǎn)是所焊接金屬件不能太厚（一般