陳錦權(quán)，曾慶平，陳 劍，池澤鋒，田家榮，謝漢毅，黎正午

（珠海格力電器有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種焊接工藝在生產(chǎn)中廣泛運用，比如，塑料的焊接技術(shù)有熱板焊接、激光焊接、摩擦焊、超聲波焊接等［1］。國內(nèi)外大量生產(chǎn)、研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)械連接、膠粘接等固接方式難以滿足塑料組合件固接高效率、高可靠的要求［2］。而超聲波焊接過程不需要添加助焊劑，也沒有電弧和煙塵產(chǎn)生，且焊接所需能量僅約為電阻點焊的2%［3-4］，是一種綠色節(jié)能、環(huán)境友好的焊接方法［5］，并且超聲波焊接工藝在裝配工藝領(lǐng)域中的加工節(jié)拍、質(zhì)量一致性也具有明顯優(yōu)勢。

現(xiàn)階段的汽車車燈、小家電、小型水箱等行業(yè)，較多運用超聲波焊接的加工方法，例如對熱塑性材料，在借助超聲波來進(jìn)行零件連接處理時，設(shè)備系統(tǒng)將會對產(chǎn)品零件組合傳遞特定頻率的高頻振動，引發(fā)塑料表層強烈摩擦產(chǎn)生大量熱量，熔融部分熱塑性材料并冷卻結(jié)合成近乎均相的形態(tài)，從而達(dá)到牢固連接的目的［6］。

在實際運用中，與塑料件焊接后的質(zhì)量關(guān)聯(lián)最突出的就是焊接的工藝參數(shù)，超聲波焊接并不能焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性［7］。因此了解焊接機(jī)理及焊接質(zhì)量問題，分析并掌握相關(guān)影響因素對實際的生產(chǎn)有益處，是提高超聲波焊接質(zhì)量和推廣超聲波焊接的首要任務(wù)。

本文將從超聲波焊接原理、焊接工藝、焊接應(yīng)用和焊接檢測4 個方面，綜述超聲波焊接工藝技術(shù)與質(zhì)量檢測的有效方法。

1 超聲波焊接原理和優(yōu)點

1.1 超聲波焊接原理及影響因素

超聲波焊接系統(tǒng)的主要組件包括超聲波發(fā)生器、換能器（變幅桿或者焊頭）的組合設(shè)備、模具與機(jī)架設(shè)備［8］。

超聲波焊接是一種破壞性的焊接［9-10］。原理是將低頻的50、60 Hz 電流經(jīng)過超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成15、20、30、40 kHz的高頻電能，把機(jī)械振動能量傳達(dá)到焊頭，焊頭再把振動能量傳送到塑料件焊接面。由于焊接界面聲阻大，塑料件導(dǎo)熱性差，塑料件振動摩擦產(chǎn)生的熱能無處散發(fā)，熱能聚集致使焊接界面融化，以分子聯(lián)接的形式融合［11］。

焊接材料、焊接工藝過程的變化，將影響產(chǎn)品的外觀以及焊接的質(zhì)量。

塑料基材的超聲波焊接可焊接性評估，可參考式（1）：

其中超聲波焊接可行性與零件材料彈性模量E、產(chǎn)品零件間的摩擦因數(shù)μ和材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比，與材料密度ρ、比熱容c、熔點t成反比［12］。

1.1.1 零件焊接接觸面結(jié)構(gòu)的影響

（1）焊接面導(dǎo)能筋：焊接面面積越大，能量分散越嚴(yán)重，導(dǎo)致無法破壞端面材料分子結(jié)構(gòu)。為提高可焊接性，在焊接面設(shè)置導(dǎo)能筋［13］，如圖1 所示。

（2）超聲波焊接面常見的有4 大類：對接接頭、臺階接頭、溝槽接頭、剪切接頭。如圖2 所示。

圖1 超聲波焊接導(dǎo)能筋

圖2 超聲波焊接面

1.1.2 焊頭到焊接面距離的影響

超聲波的焊接距離與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。在塑料中，超聲波縱向振動傳遞能量，波的能量損失與距離成正比，焊頭到焊接面距離越長，超聲波能量損失就越多。

業(yè)內(nèi)焊接面與焊頭的距離以6 mm為界限，如圖3 所示。當(dāng)焊接面距離焊頭接觸面的位置小于6 mm時，能量傳遞效率高，焊接效果較好，此時稱為近場熔接；當(dāng)焊接面距離焊頭接觸面的位置大于6 mm時，能量傳遞效率相對變低，焊接效果相對變差，此時稱為遠(yuǎn)場熔接［14］。

對于遠(yuǎn)場熔接，當(dāng)焊接面到焊頭的距離達(dá)到材料頻率半波長值時，超聲波傳遞給焊接界面熱能量最多，能達(dá)到較好的焊接效果，焊縫強度最大。實驗針對不同厚度的HS1000（芳基磷酸鹽和粘土改性的聚苯醚，半波長為38.6 mm）進(jìn)行超聲波焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在臨界厚度為38.6 mm，如圖4 所示。小于臨界厚度時焊接接頭強度隨厚度的增加而增加，大于臨界厚度時，焊接接頭強度迅速降低［15］。

圖3 超聲波焊接距離臨界點

圖4 HS1000 材料超聲波焊接距離臨界點

因此進(jìn)行超聲波焊接時，優(yōu)先選用近場焊接；對焊接件厚度或與模頭裝配方式無法優(yōu)化最終焊接距離大于6 mm 時，最佳的能量傳遞距離選材料頻率半波長值（HS1000：38.6 mm）。

1.2 超聲波焊接優(yōu)點

傳統(tǒng)的塑料焊接工藝，如熱板焊接工藝，其能量輸入依靠發(fā)熱板，生產(chǎn)時不可避免存在散失的熱量，導(dǎo)致能耗大幅增加，且零件直接接觸高溫，容易發(fā)生變形，對零件的定位與夾持要求高。摩擦焊接只能針對部分存在回旋焊接面的產(chǎn)品焊接。超聲波焊接工藝具有高效率、低成本、高強度、焊接結(jié)構(gòu)易于設(shè)計的優(yōu)點，有良好的表面外觀和焊接質(zhì)量，可無縫焊接，操作方便，可做到自動化焊接，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，能量消耗低。

2 超聲波焊接工藝

2.1 超聲波焊接的步驟

超聲波焊接詳細(xì)步驟如圖5 所示。

圖5 超聲波焊接詳細(xì)步驟

第1 步：取一套將焊接的塑料件，按先后次序擺放在焊接定位工裝中。

第2 步：焊頭向下移動到焊接工作區(qū)域，與上端塑料零件接觸。

第3 步：焊頭在氣壓作用下對塑料件施加壓力，壓緊待焊塑產(chǎn)品。

第4 步：焊頭按照設(shè)備固有的頻率作縱向高頻振動，當(dāng)焊接界面溫度達(dá)到熔點后，停止振動，受熱部分從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。

第5 步：繼續(xù)維持恒定壓力，直至焊接處熔化的塑料流體冷卻凝固，此段時間即為焊接保壓時間。

第6 步：當(dāng)熔融塑料固化，移去壓力，焊接頭縮回，熔化后的零件間相互結(jié)合，整個超聲波焊接過程完成。

圖6 超聲波焊接的微觀過程

2.2 超聲波焊接的微觀過程

從微觀看，兩個塑料件由開始接觸到最后熔合分4個階段，如圖6所示。

第1 階段：開始熔化階段。兩個待焊零件表面摩擦及內(nèi)部分子相互作用，產(chǎn)生大量熱量并開始融化塑料。

第2 階段：連接階段。塑料零件間開始融合，形成一個薄的融合層，隨著熱量的不斷的增加，融合層的厚度繼續(xù)增加。

第3 階段：穩(wěn)態(tài)熔流階段。熔合層厚度持續(xù)增加，直至一定的厚度并保持恒定，振動停止。

第4 階段：壓力保持或冷卻階段。保持焊接壓力，熔體逐漸冷卻凝固，形成近乎均相的結(jié)構(gòu)，連接塑料零件［16］。

2.3 超聲波焊接中的重要工藝參數(shù)

超聲波焊接的影響因素很多，主要以焊接能量來概括。焊接能量高低，都影響著焊接實際效果，對超聲波焊接原理剖析，可以得出以下幾個關(guān)鍵工藝參數(shù)，工藝參數(shù)大小的調(diào)整直接影響著焊接能量的大小。

（1）頻率。焊頭振動的頻率即超聲波的頻率，常用的有15、20、30、40 kHz 幾種。超聲波頻率為固定值，不可連續(xù)調(diào)整。

（2）振幅。是指焊頭與塑料件接觸面的振動幅度，其大小等于換能器表面振動幅度、調(diào)幅器增益和焊頭增益的乘積，調(diào)節(jié)調(diào)幅器和焊頭即可調(diào)節(jié)其振幅。

（3）焊接能量正相關(guān)于振幅。塑料特性不同，對應(yīng)的振幅相差也大，在振幅參數(shù)大小選取上，由于半結(jié)晶塑料微觀結(jié)構(gòu)規(guī)整度較高，破壞該結(jié)構(gòu)需比無定型塑料需要選取更高的振幅。

（4）焊接時間。是指焊接頭表面與塑料件相接觸，并傳遞超聲波振動能量，使塑料件融化整個過程的時間，通常取值在0.1～0.6 s。焊接時，越長的焊接時間往往代表越大的焊接能量。

（5）保壓時間。是指焊頭振動停止，焊頭壓力卸除并開始上升的時間。在此期間，熔化的塑料降溫凝固。保壓越久，焊接能量越大。

（6）焊接氣壓。是指焊頭在焊接進(jìn)行的過程中，施加在焊接件上的壓力。越大的氣壓，往往表明更大的焊接能量。

3 超聲波焊接在家電中的應(yīng)用

3.1 超聲波焊接實驗方案設(shè)計

工藝參數(shù)變動對生產(chǎn)質(zhì)量的影響極大，導(dǎo)致產(chǎn)品焊接過程中焊接狀況差別很大?，F(xiàn)以家電產(chǎn)品零件組件焊接為例進(jìn)行探究。

本次實驗焊接涉及零件均為ABS。本次實驗焊接所用設(shè)備有3 種模式：時間模式、能量模式、功率模式，并有氣壓、振幅、深度觸發(fā)等可調(diào)參數(shù)。

以兩組試機(jī)物料探究初始參考值，在此基礎(chǔ)上設(shè)計DOE L9（3／4）正交實驗，對功率、時間、能量3 種模式，氣壓、振幅、深度觸發(fā)、功率／時間／能量4 種因子，各設(shè)計9 實驗組進(jìn)行分析，方案如圖7 所示。

圖7 實驗總體方案

全部焊接完成后，使用壓力機(jī)壓頭對零件持續(xù)輸出壓力至破壞焊接結(jié)構(gòu)，記錄壓力峰值。將數(shù)據(jù)整理到表格中，以各因子為一大組（作為橫坐標(biāo)），計算每組的破壞力均值（作為縱坐標(biāo)）繪制折線圖，如圖8所示。

圖8 破壞力均值與各因子關(guān)系

3.2 超聲波焊接實驗數(shù)據(jù)分析

分別重復(fù)上述步驟得出3 種模式各因子共同作用下，破壞力均值與不同因子的關(guān)系圖。

（1）時間模式，如圖9所示。超聲時間：破壞力與超聲時間正相關(guān)，且在0.3～0.4 s 變化相對平穩(wěn)，更利于焊接穩(wěn)定，建議超聲時間取0.3～0.4 s之間；觸發(fā)深度：小于89.8 mm，破壞力與觸發(fā)深度為負(fù)相關(guān)，大于89.8 mm，破壞力與觸發(fā)深度為正相關(guān)，且在91 mm處破壞拉力滿足需求；振幅均值：振幅小于55 μm，破壞力與振幅為正相關(guān)，大于55 μm，破壞力與觸發(fā)深度為負(fù)相關(guān)，且后半段急劇下降，建議選擇振幅50～55 μm之間；氣壓均值：氣壓小于0.5 MPa，破壞力與氣壓為負(fù)相關(guān)，大于0.5 MPa，破壞力與觸發(fā)深度為正相關(guān)，兩部分趨勢相同，建議選擇焊接強度更大數(shù)值。

圖9 時間模式破壞力均值與因子關(guān)系

由此可知，實驗最佳方案為：超聲時間0.4 s，深度觸發(fā)91 mm，振幅55 μm，氣壓0.4 MP。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)考慮零件外觀得出時間模式下最佳的工藝參數(shù)配比為：超聲時間0.4 s，深度觸發(fā)91 mm，振幅55 μm，氣壓0.4 MP。

（2）能量模式，如圖10 所示。焊接能量：能量小于450 J，破壞力與能量為負(fù)相關(guān)，大于450 J，破壞力與能量為正相關(guān)，兩部分趨勢相同，建議選擇焊接強度更大數(shù)值；觸發(fā)深度：破壞力與觸發(fā)深度正相關(guān)，整體變化平穩(wěn)，建議取91.5 mm；振幅均值：振幅小于55 μm，破壞力與振幅為正相關(guān)，大于55 μm，破壞力與觸發(fā)深度為負(fù)相關(guān)，且前半段急劇下降，建議選擇振幅55～60 μm之間；氣壓均值：氣壓小于0.5 MPa，破壞力與氣壓為正相關(guān)，大于0.5 MPa，破壞力與氣壓為負(fù)相關(guān)，建議選擇中間數(shù)值。

圖10 能量模式破壞力均值與因子關(guān)系

由此可知，試驗最佳方案為氣壓0.5 MP，振幅55 μm，能量400 J，深度觸發(fā)91.5 mm。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)考慮零件外觀可得出能量模式下最佳的工藝參數(shù)配比為：氣壓0.5 MP，振幅55 μm，能量400 J，深度觸發(fā)91.5 mm。既節(jié)能焊接強度又高，而且節(jié)省焊接時間。

（3）功率模式，如圖11 所示。焊接功率：破壞力與焊接功率正相關(guān)，整體變化平穩(wěn)，建議取2.5 kW；觸發(fā)深度：小于90.5 mm，破壞力與觸發(fā)深度為負(fù)相關(guān)，大于90.5 mm，破壞力與觸發(fā)深度為正相關(guān)，整體趨勢接近，取較大值；振幅均值：破壞力與振幅正相關(guān)，整體變化平穩(wěn)，建議取60 μm；氣壓均值：氣壓小于0.5 MPa，破壞力與氣壓為負(fù)相關(guān)，大于0.5 MPa，破壞力與氣壓為正相關(guān)。

圖11 功率模式破壞力均值與因子關(guān)系

由此可知，試驗最佳方案為，氣壓0.4 MPa，振幅60 μm，功率2.5 kW，深度觸發(fā)91.5 mm，綜合考慮得出功率模式下最佳的工藝參數(shù)配比為：氣壓0.4 MPa，振幅60 μm，功率2.5 kW，深度觸發(fā)91.5 mm。既節(jié)能又強度高，焊接時間短。

圖12 溢膠示意

3.3 實驗過程異常分析與解決

（1）熔接過度

原因：輸入塑料件能量太多，塑料件聲阻大，傳熱效率低，熱量聚集無法快速散去，焊接區(qū)熔融層在焊接壓力作用下向兩側(cè)空隙擠壓，形成溢膠（圖12）和披鋒。

解決辦法：降低氣壓；削減焊接時間；降低振幅段數(shù)。

（2）熔接不足

原因：輸入塑料件能量太少，焊接區(qū)域融化層厚度過薄，導(dǎo)致虛焊。

解決辦法：增加氣壓；加長焊接時間；增大振幅段數(shù)；運用較大功率的機(jī)型。

（3）塑料件開裂、振斷

原因：超聲波振幅過大；塑料件強度不足。

解決辦法：削減輸出振幅；塑料加加強筋或加厚。

（4）塑料件外表穿孔

原因：超聲波振幅偏低，超長時間焊接所造成的；超聲波匯集損害。

解決辦法：增加焊接頭輸出振幅數(shù)值，同時削減焊接時刻，如若要求大的功率焊接設(shè)備，則替換；焊接頭非焊接區(qū)域選擇避空設(shè)計；增強塑料件的厚度或在相應(yīng)位置加加強筋，以提高塑料件的強度。

4 超聲波焊接質(zhì)量檢測技術(shù)

4.1 超聲波焊接檢測方法介紹

塑料件完成焊接后，應(yīng)依據(jù)塑料件的受力狀況和設(shè)計要求，確定有效的檢測方式。檢測方法通常有以下兩方面：（1）非破壞性檢測，外觀目視檢查，X 射線探傷，超聲波測試，性能測試，高電壓檢測；（2）破壞性檢測直觀，拉力破壞實驗，彎曲破壞試驗，壓力破壞試驗和拉伸蠕變試驗等。

4.2 超聲波焊接檢測方法選取

如何簡單快速地檢測焊接質(zhì)量，通?？梢赃\用如下多種方法來判斷。

首先應(yīng)注意的是，超聲波焊接處結(jié)構(gòu)相對于母材，焊接層較薄，其強度也弱于母材，焊接檢測應(yīng)作出合理的判斷：

（1）進(jìn)行高處跌落試驗，觀察是否開裂；

（2）用一定質(zhì)量的鋼球撞擊焊接后的塑料件，觀察焊接處是否有開裂狀況，鋼球具體重量選取、跌落高度的設(shè)置、撞擊次數(shù)，由塑料件材質(zhì)以及外形來決定；

（3）測量焊接前的總高，并與焊接后的總高比較，得出焊接熔深；

（4）檢測氣密性，需要焊件通入高壓氣體，而后浸沒于水中，并觀察水中是否有氣泡冒出，以此驗證氣密性是否可靠。若要承受外部壓力，則需要放入密封罐中，并進(jìn)行抽氣或加壓，觀察焊接處有無開裂，以此測試判斷整體焊接效果。

5 結(jié)束語

本文綜述了超聲波焊接的影響因素、工藝過程、工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響及部分焊接不良的原因分析和解決思路，對于導(dǎo)入新的焊接產(chǎn)品時的識別風(fēng)險工作及處理超聲波焊接異常問題上具有一定的指導(dǎo)作用。

提出一種基于DOE 實驗分析方法，對3 個固定因子，1 個變化因子進(jìn)行整合分析，探究與焊接強度的關(guān)系，找到最優(yōu)參數(shù)組合，確定超聲波焊接工藝參數(shù)，并以家電產(chǎn)品零件操作面板（ABS）零件為實驗對象進(jìn)行驗證其方法的可行性，按照此方法確定的最優(yōu)工藝參數(shù)，焊接質(zhì)量較好，且能耗成本較低，效率高。

提出超聲波焊接質(zhì)量檢測的8 種方法，根據(jù)對焊接產(chǎn)品的性能要求而研究并制定相應(yīng)的檢測方案。