超声波焊接质量问题分析

超声波焊接具有高效率，环保等优点。但在实际生产中，尤其对于手机登对外观、性能等均要求高品质的个人消费品，质量依然是较难控制的一个问题。影响质量主要因素是输出功率不稳定，导致无法形成稳定的摩擦热能。在多年的超声波焊接实际工作中，总结以往的经验发现通常容易发生的几种质量问题如下：
1.强度低，难以达到标准要求
2.产品表面产生伤痕或裂痕
3.制品产生扭曲变形或白色状
4.产品内部零件破坏，或者受挤压而偏位变形
5.产品产生毛边
6.产品焊接后尺寸无法控制于公差内
7.产品偏位
8.超声波焊接后无法达到水、气密

1.产品强度难以达到标准要求
超声波焊接热塑性塑料的产品强度一般都比较低，难以满足产品强度要求。
影响焊接强度的原因主要有以下几个方面：
1）超声波焊接夹具
超声波焊接夹具与产品的接触面受力是否均匀直接影响超声波焊接的效果，进而对焊接后产品的强度产生影响。当产品受力均匀时，各焊接部位能达到一致稳定的焊接状态，从而获得较理想的焊接效果。当产品受力不均匀时，产品部分区域可能出现焊接不充分而使产品局部强度不足。如果加大超声波输出能量可使焊接强度提升，但是同时又会产生另外一个问题，就是会导致产品压伤。
一般认为，超声波作业时，只要产品与焊接夹具表面只要接触准确就可以得到理想的焊接效果。其实这只是表面的看法，超声波既然是摩擦振，就回产生声波传导的现象，如果单只观察硬件（产品与焊接夹具）的吻合程度，而忽略超声波作业方式，必定UI产生舍本逐末或误判的后果。事实上焊接夹具的吻合度、产品截面的高低、肉厚、深浅、材质的组织，必定无法是百分之百承受相同的压力。另一方面，上模（HORN）输出的能量每一点都有误差，并非整个面发出的能量都相同，这也势必产生产品焊接程度的差异。不过，通过调节参数焊接机本身的水平螺丝可以尽可能地修正上模输出的能量误差。
超声波焊接夹具主要起定位及承载的作用。对于具有复杂三维曲面形状及加工精度要求高的产品，对超声波夹具的加工精度则有较高的要求。
2）超声波焊接条件
超声波作业的条件是指机器的输出功率、压力（动态压力与静态压力）、焊接时间、硬化时间、延迟时间等诸元素的设定。通过优化超声波作业的条件往往能获得理想的焊接效果。
在实施超声波焊接时，如果压力太大，气缸下降缓冲太快，易把超声波焊接线压平，虽然产品看似已经密合，但因焊接线已经受挤压而下陷，失去了焊接效果，形成塑料零件面与面的强迫焊接，而非三角形点的导引焊接，所以产生焊接假象。
输出功率指的是产品在焊接过程中，超声波机器单位时间内输出的能量。输出功率与焊接时间及振幅成正比。通常通过调整振幅来控制超声波机器的输出功率。输出功率太大会导致产品表面压伤，产品产生毛边等问题；输出功率太小则影响产品焊接强度。
焊接时间指的是产品在焊接过程中，超声波机器从 能量输出到结束的时间。合理的焊接时间设计可得到理想的能量输出，从而达到佳的焊接效果。
硬化时间是指超声波焊接完成后上模机械压着物体使刚刚融化的焊接线充分固化的时间。硬化时间太长，会导致产品表面压伤，太短则焊接线未完全固化，影响焊接强度。
延迟时间指的是为了让需要进行超声波焊接的产品充分吸收超声波机器所发出的能量，先将产品预压到一定的紧密度后，再发出超声波，从产品预压到发出超声波这段时间胶延迟时间。延迟时间太长会导致产品表面压伤，产品产生毛边等问题；太短则能量未完全吸收，影响产品焊接强度。
3）超声波焊接线
超声波焊接线的尺寸及形态对产品焊接强度的影响也是非常直接的。通常，超声波焊接线的尺寸的大小与产品焊接强度成正相关。也就是说尺寸越大，产品焊接后的强度越高。但是，这不是说焊接线的尺寸越大就越好。焊接线的尺寸太大时，会引发另外一个问题即产品极易出现毛边。
4）塑料产品材料
非结晶性硬质塑料，如聚碳酸酯PC、丙烯氰-丁二烯-苯乙烯聚合物类ABS、聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等，对超声波能量通常具有良好的透射率，高频振动能可经过较长的距离传输到接口区域，因此这些材料具有良好的焊接性能。而半结晶性塑料，如聚酰胺PA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚甲醛POM等，对超声波能量通常具有较强的消声作用，高频振动能经过较长的距离传输到接口区域时，超声波能量会很快衰减，因此半结晶性塑料的焊接性能相对较差。每一种塑料材料的熔体加工温度各不相同。例如ABS塑料材料的熔体加工温度为180-240℃、PC的熔体加工温度为280-310℃、PC+ABS的熔体温度为260-290℃。当两种材料的熔体加工温度相差太大时会增加超声波焊接的难度。如ABS与PC二种材料的熔体加工温度差距太大，超声波焊接势必困难。如果超声波上模高频振动产生的温度达到180°时，虽然ABS 已经熔化，而PC只是软化而已，继续加温到280°以上，PC已经可达到熔接温度，但ABS擦亮已分解为另外分子结构了。实际焊接加工时，不同数量材料熔体加工温度的差异在20°以内时具有较好的焊接性能。

2.产品表面产生压痕或裂痕
在超声波焊接加工时，产品表面产生压痕、结合处断裂或有裂痕四常见的。因为在超声波加工时，高热能直接接触塑料产品表面并振动传导。所以当超声波振动作用于塑料产品时，产品表面就容易发生压伤。且对于产品壁厚1mm以内较薄的塑料柱或孔，极易产生破裂现象，这是超声波焊接加工较难克服的问题之一。另一方面原因，因超声波输出能量的不足，在振动摩擦焊能量转换为热能时需要用较长时间来累积热能以弥补输出功率的不足。此种焊接方式，不是在瞬间达到的振动摩擦焊热能，而需靠熔接时间来累积热能，直至达到塑料产品的熔点而焊合，如此将造成热能停留在产品表面过久，而所累积的温度与压力也将造成产品的烫伤、压伤、震断或破裂。遇到这种情况通常可采取以下对策。
1）降低压力
2）减少熔接时间
3）减少延迟时间（提前发振）
4）超声波焊接夹具表面处理（硬化或镀铬）
5）引用介质覆盖（如PE膜）
6）降低超声波焊接机上模扩大比
7）易振裂、震断的产品，焊接夹具宜采用软性树脂或覆盖软木塞等缓冲设计

3.产品产生毛边
产生毛边的原因
超声波焊接本质上也是一种热熔接。当产品焊接线设计过粗或焊接能量太大时，熔融的塑料在压力作用下会从两个被焊接产品之间溢出，从而形成毛边。超声波焊接后产生毛边的主要原因如下：
1）超声波焊接机输出功率太强
2）超声波焊接时间太长
3）空气压力太大。一般在超声波焊接作业中，空气压力大约在2-6kg范围。
4）上模下压力太大
5）上模能量扩大比率太大
6）产品焊接线设计不合理，太高或太粗
上述六点是造成超声波焊接加工后产品产生毛边的主要原因，其中影响较大的是在第六项超声波的焊接线设计。根据经验值佳的超声波焊接线，是底部0.4-0.6mm*高度0.3-0.4mm的三角形。焊接线为“△”形，尖角约呈60°。超出这个数值将导致超声波焊接时间过长、压力升高、机台输出功率的升高，这样一来就极易造成产品毛边。
减少焊接毛边的方法：在超声波焊接加工时通常可采取以下对策减少产品毛边的产生。
1）降低压力、减少超声波焊接时间
2）减少超声波焊接机输出功率或改用小功率超声波焊接机
3）降低超声波上模的扩大比
4）修改产品的焊接线

4.产品产生扭曲变形
超声波焊接加工时有时会发生产品产生扭曲变形。这种变形由以下三种可能的原因引起。
1）焊接夹具与被焊接的产品的角度或弧度不吻合时易造成产品焊接后发生变形。
2）薄壁、大面积产品，如壁厚2mm以内且长度超过60mm以上的产品，在超声波焊接作业中易发生变形。
3）产品在射出成型过程中射出压力过大导致产品内部产生较大的内应力也是导致产品扭曲变形的原因之一。
当产品在超声波焊接加工中发生扭曲变形时，从表面看来好像是超声波焊接过程造成的。然而，这只是一种现象，造成塑料产品焊接后变形的原因很多，实际生产中必须要考虑超声波焊接的各种因素，一定要找对主因，才能从根本上解决产品变形的问题。
改善产品焊接后变形的方法
在实际生产总通常可采取以下对策来减少产品扭曲变形的产生
1）降低压力，压力再4kg以下
2）减少超声波焊接时间
3）增加硬化时间，至少0.8秒以上
4）分析超声波上下模是否可局部调整
5）降低射出成型过程中产品内部的内应力

5.产品焊接后杯破坏
超声波焊接后有时会发生产品被破坏的现象。究其原因，主要有以下几个方面：
1）超声波焊接机功率输出太强
2）超声波能量扩大器扩大比太大
3）产品在焊接夹具底模中受力点悬空，受超声波传导振动而剖坏
4）产品底部直角，未设缓冲疏导能量的R角
5）不正确的超声波工艺条件。
从上述分析来看，造成产品破坏的因素是综合性的。有超声波方面、有焊接夹具方面、有产品设计方面等等问题，所以在产品生产时如发生被破坏的现象时，必须多方面考虑。
避免产品焊接后被破坏的措施
1）提早超声波发振时间，但需避免接触发振
2）降低压力、减少超声波焊接时间
3）减少超声波焊接机输出功率或改用小功率超声波焊接机
4）降低超声波上模的扩大比
5）底模受力处垫缓冲橡胶
6）底模与产品之间避免悬空或间隙

6.产品出现偏位
超声波焊接加工时出现的产品偏位也是常见的缺陷，以下是对超声波焊接后产品出现偏位现象的分析。
1）焊接线设计不合理时，产品在超声波焊接过程中因受到压力而发生滑移，从而造成产品偏位。或者，焊接线在设计时设计可能没问题，但由于焊接线部位的加工精度不足，导致尺寸不一也可能发生此类问题。故在超声波模具加工时至少要去焊接线对称，高度一致。要使产品达到外观的功能时，定位于超声波焊接线是成败的重要关键。
2）定位方式或公差设计不当同样会造成产品焊接时发生偏移。产品实施超声波焊接加工无法达到产品外观或功能的要求时，除了超声波焊接线、焊接夹具定位等因素外，产品本身定位，配合公差也是一项主因。定位设定要非常标准，公差适当。