PPS超声波焊接原理和技巧

概述

文章对PPS塑料超声焊接的常见问题，如超声焊筋设计、焊接条件和焊接强度，进行详细描述。超声波技术不仅用于组件焊接，也同样适合超声波铆接和超声波镶嵌工艺。

PPS（聚苯硫醚）是一种半结晶热塑性塑料，具有陡峭的熔融曲线和较高的熔化温度（285°C，545°F)，其纯料PPS不适合超声波焊接。但在添加玻璃纤维和其它填料后，因PPS混合物刚度大大增加，有助于超声波振动传递，所以可用超声波焊接。在焊接筋设计合理的条件下，玻纤含量40% PPS可以很容易焊接。然而继续增加玻纤含量和矿物粉时，因为混合物中树脂成分含量变低了，导致超声焊接困难。

焊接筋设计

PPS产品焊接筋设计对焊接强度至关重要。需要从组件装配上考虑零件及焊接筋的设计，以及这些设计对超声波焊接工艺的影响。

对于PPS材料焊接，一般采用剪切缝设计。对于采用三角导能筋或者台阶式焊筋设计，不同型号含有不同成分的PPS有不同的焊接结果。对于含填料份量高的PPS混合物，在熔化时没有足够的流动性，无法流入两侧形成更多粘接区域，因此该类PPS混合物不适合采用三角导能筋或者台阶式焊筋设计。

对于剪切缝，在焊接过程中在连接界面上产生类似“涂抹”的动作，从而使得熔融塑料产生更大的流动性，更容易焊接。试验证明，对于填料含量高的PPS，使用剪切缝的产品拉拔力是采用台阶式焊筋拉拔力的6倍。同时，剪切缝熔融和粘接区域更大，有助于密封。

典型的剪切缝和台阶式焊筋设计见下图1和图2。

对于最大尺寸大于89mm，或者形状不规则的产品，由于注塑误差难以控制会导致焊接结果不稳定。因此，对于尺寸较大或者形状不规则的产品不推荐剪切缝设计，而是推荐三角导能筋/台阶式/沟槽缝设计。一般来说，剪切缝的焊接深度大约是壁厚的1.25倍。

对于PPS薄壁件的超声近场焊接，采用高频率（如20Khz或者30Khz）和低振幅的焊接工艺更容易获得成功。同时，具有瞬时功率小和防止部件损害的优点。当采用导能筋焊筋设计时，对于典型的半结晶材料，三角筋尖角采用60°，底边宽度一般是20%-25%的壁厚，高度是底边宽度的0.866倍。

在设计选择超声波焊接工艺的产品时，必须考虑到尽量减少非必要的超声波能量损失，记住这一点很重要。超声波沿焊头运动的方向传播振动，能量大小与墙壁截面大小成正比。要振动的部分应该是装配件中位置最上、重量最轻的零件，同时在焊筋上方应设计方便与焊头接触的较大平面。有时，还需要设计特殊的结构将振动能量直接传递到焊缝处，例如在盖子边缘增加凸起的唇边结构。适当的零件组装间隙也是必要的，以避免干涉导致焊筋虚焊。振动路径上的零件应增加倒圆角结构，圆角大小是墙壁壁厚的0.6倍，以避免超声波焊接时零件开裂。对称设计的零件更容易焊接，因为其压力和能量分布均匀。

总而言之，以下是要避免的错误焊缝设计：

装配组件间隙设计太小，存在紧或者干涉配合，阻碍超声波振动有效传递到焊筋处；传递超声振动的零件截面过小/薄，导致在大振幅下产生破裂；焊筋尺寸过大，导致瞬时功率输出过大，可能损伤零件；直接与焊头接触的零件，不是组件中位置最上、重量最轻的零件；内部尖角可能导致零件开裂；内部金属插件会吸收超声振动，降低焊接效率，因此应在超声焊接后组装金属件。焊接工艺建议

最佳超声波焊接工艺很大程度上取决于零件质量和组件装配精度，以及所使用的焊接设备和治具。在产品设计阶段，征求制造商的意见是很重要。焊接参数的调整应考虑零件材料成分、尺寸误差和刚度，以及焊头接触产品位置与焊缝之间的距离。产品的可焊接性能，是指材料在不受损伤情况下传递超声波振动的能力。

由于PPS是一种高熔点的半结晶热塑性塑料，通常需要大振幅的超声波振动来熔化塑料形成焊缝。考虑PPS的高模量（高刚度）特性，因此输出的振幅能够在塑料件中传递相当长的距离。当焊头与焊缝之间距离越大，需要的振幅也就越大。在近场焊接（焊头接触面与焊缝之间距离小于6mm）时，采用高频率和较低振幅的焊接工艺，能够实现更高的焊接效率。在远场焊接（焊头接触面与焊缝之间距离大于6mm）时，振幅传递距离受限于产品结构，当墙壁越薄，超声振动传递距离越短。

焊接所需的功率取决于焊接区域面积的大小，零件的几何形状和材料的吸收特性。PPS焊接时通常需要高功率输出，以保证大部分能量非常快速的传递到焊缝处，同时避免对零件造成振动损伤。焊头的速度要与PPS塑料熔化和焊缝成形速度相匹配。

当产品采用剪切缝设计时，初始参数可设定为高功率输出、大变比调幅器、低焊接压力，和较慢的焊接速度。然后，再根据实际焊接结果进行下一步调整。焊接时注意，大振幅和长时间振动会损伤零件表面。最大的焊接强度是在保压阶段形成。若气密性不佳，可增大动态保压距离或者保压时间来进行改善。

采用剪切缝设计时，需要注意的是产品墙壁的侧面支撑，以避免焊接中零件侧壁张开导致焊接强度不良问题。治具可由铝、钢、树脂或其它材料制成。治具与产品的配合间隙要适当，以提供适当的支撑，并方便零件的取放。

焊接强度

焊缝的强度通常比本体材料低得多。因为焊缝上几乎没有什么玻璃纤维，所以焊缝强度主要取决于树脂本身的强度。即变是在焊接纯树脂材料（不含玻璃纤维增强）时，焊缝强度通常也没有本体材料大。对于某些特定的PPS材料，焊接强度可达50Mpa；对于大多数PPS材料，焊接强度不足35Mpa。此外，焊接强度随着温度升高而降低，如下图（纯料PPS抗拉强度随温度变化图）所示。

除此之外，还有许多其它因素会影响焊接强度：

焊接区域面积。焊线越长，熔融塑料越多，焊接强度越大。但实际上，受注塑精度和治具等因素影响，焊接区域面积会比设计预想的要小很多。注塑件尺寸精度和质量。注塑缺陷如空隙，会吸收超声振动，影响能量传递。可能会导致零件表面烫伤和内部裂纹，以及较低的焊接强度。润滑剂或脱模剂的此类表面污染，会减少摩擦生热从而阻碍焊接过程。同时，因杂质进入焊缝，会损害焊缝强度。焊接过程中，焊缝处PPS塑料迅速熔化和迅速冷却，容易产生较多的非晶态（无定形）的状态。当产品使用温度超过85°C，PPS会逐步转变成半结晶状态，从而在产品内部产生额外的应力。