各种塑料添加剂对超声波焊接的影响

塑料的性能影响超声波的焊接质量。塑料超声波焊接性取决于塑料对超声振动的衰减能力和熔化温度的高低以及物理性能如弹性模量、抗冲击性、摩擦系数及导热系数等。

实验证明，塑料的焊接性G正比于弹性模量E、导热系数λ、摩擦系数μ，反比于塑料的密度ρ、比热容C、熔点t，如下式表示：G=K·E·λ·μ/(ρ·C·t)(W/m2·K)式中：

K——焊件形状因子，取决于焊件的壁厚、尺寸大小及焊头的形状尺寸

E——塑料的弹性模量（GN/m2）

λ——导热系数（W/m·K）

μ——塑料的摩擦系数

ρ——塑料的密度（kg/m3）

C——比热（J/kg·K）

t——熔点（K）

通常限定选择特定用途材料的性能是那些使焊接变困难的性能如高的熔点或结晶度。一般来说，塑料刚性愈大，愈容易焊接。刚性塑料容易传递超声波能量，而软塑料在能量到达接头区域之前常常衰减能量。待焊材料的刚性是一个可能受到环境温度和湿度影响的重要性能。颜料、脱模剂、玻璃填料和增强纤维的影响更大。

1.高分子塑料结构

非结晶性塑料有任意的分子结构，在较宽的温度范围内逐渐软化，达到玻璃化转变状态，然后是液体熔化状态。凝固也是逐步的，避免了过早凝固。非结晶性塑料能有效地传递超声振动，能够在各种工艺条件下进行焊接，也能比较容易地获得密封接头。半结晶性塑料的特点是分子结构有序排列。需高热量破坏这种有序排列。熔点明显，温度稍稍降低就很快地出现再凝固。流出接头加热区的熔液因而快速凝固。固态时半结晶性分子象弹簧一样吸收很大一部分超声振动而不是其传递到接头界面处，所以必需采用高振幅以产生足够的热量用于焊接。

2.填料和增强物对超声波焊接的影响

热塑性塑料中的填料（玻璃、滑石、矿物质）可以改善或抑制超声波焊接。碳酸钙、高岭土、滑石、氢氧化铝、有机填料、硅石、玻璃球（硅灰石）和云母等材料能增加树脂的刚性，在含量达20%时能够提高整个材料（尤其是半结晶性塑料）的超声波能量传递性能。在含量达35%时，可能在需可靠气密封接的接头处出现热塑性树脂不足。填料达40%时，纤维在接合面处聚集，热塑性材料不足，不能形成牢固的连接。长纤维在模塑过程中可能产生聚集，造成导能筋可能含有比基体材料更高百分含量的玻璃。这个问题可以通过使用短纤维玻璃填料加以解决。在填料含量超过10%时，许多填料中的磨料颗粒引起焊头磨损。推荐使用淬硬钢或涂硬质合金的钛焊头。也可能需要更高功率的超声波设备在接头处产生足够的热量。

3.添加剂对超声波焊接的影响

添加剂尽管可以提高母材的综合性能或成形性，但通常增加获得优质焊接接头的难度。典型的添加剂包括：增塑剂、抗冲改性剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、发泡剂、回收料。增塑剂、高温有机液体或低温熔化体增加塑料的柔性和软度，降低其刚性。它们降低聚合物内分子间吸引力，影响振动能量的传递。高度增塑的材料如乙烯树脂是非常差的超声波能量传递介质。增塑剂通常看作是内用添加剂，但随着时间的推移它们会迁移到表面，使超声波焊接变得几乎不可能。含金属的增塑剂比美国食品药品管理局（FDA）批准的增塑剂有害作用更大。抗冲改性剂如橡胶降低材料传递超声振动的能力，需更高的振幅以产生熔化。抗冲改性剂减少了结合面处的热塑性材料数量，因而也影响材料的焊接性。阻燃剂、无机氧化物或卤化有机元素如铝、锑、硼、氯、溴、硫、氮或磷添加到树脂中以抑制燃烧或改变材料的燃烧性能。在大多数情况下，它们是不可焊的。阻燃剂可能占材料总重量的50%或更多，降低了零件中可焊材料量。焊接这些材料时，有必要采用高功率的设备、高于通常的振幅和更改接头设计以增加结合面处可焊材料的数量。颜料对超声波焊接的影响可能相当大。大多数颜料是无机化合物，所用的浓度一般为0.5%~2%。大多数着色剂并不抑制超声波能量传递。但它们会造成结合面处有效可焊材料量减少。白色颜料中的二氧化钛是无机物，具有化学惰性。它可充当润滑剂，如果使用含量超过5%，会降低可焊性。炭黑也会阻碍材料的超声波能量传递。塑料中含着色剂时可能需要变更工艺参数。如果焊接设备采用未染色零件产生优质焊缝的规范焊接着色零件，着色零件的焊缝质量可能会明显偏低（焊缝强度低、脆性大）。颜料影响超声波焊接的机理迄今为止还没有得到确认。颜料的存在似乎影响接头处的发热方式。通常着色零件焊接时间长于未染色零件的预期时间，藉此可解决焊缝质量低的问题。焊接时间可能必须增加50%或更多。然而，较长焊接时间可能会产生不良影响如形成过多的焊接飞边和造成焊头下的损伤。在打算用超声波焊接必须模塑的着色材料时，建议对模制样品进行试焊以确定其可行性。在许多商业应用中，焊缝强度和韧度并不是关键要求。使用并不显著影响超声波焊接的颜料也许是一种可选择的解决方案。内润滑剂（蜡、硬脂酸锌、硬脂酸、脂肪酸酯）降低聚合物分子间的摩擦系数，造成发热量减少。不过，由于它们的浓度很低并且弥散分布在塑料中而不是集中于结合面处，因而通常影响小。发泡剂降低树脂传递能量的能力。依密度的不同，微孔结构中的空洞不同程度地中断能流，减少到达接头区域的能量。对含有较高或不同含量回收料的待焊材料应仔细加以评估。为实现佳焊接有必要控制待焊零件中回收料的质量和数量。在某些情况下，可能需要100%的纯净原材料。

4.脱模剂对超声波焊的影响

外脱模剂（硬脂酸锌、硬脂酸铝、碳氟化合物、硅酮）通常喷涂于模腔表面形成便于零件移去的分离涂层。脱模剂可能会转移到结合面处，降低待焊材料的摩擦系数，影响结合面的发热，阻碍熔化表面的熔合和形成合适的连接。硅酮的有害影响大。外脱模剂有时可用溶剂加以清除。如果必需用外脱模剂，可涂、可印级脱模剂并不转移到模制零件上，但阻碍树脂润湿模具表面，这些级别的脱模剂对超声波焊接的有害作用小。

5.塑料级别对超声波焊接的影响

不同级别的同种材料可能具有不同的流速和不同的熔点。一个零件熔化和流动，而另一个不是这样，不会形成连接。譬如，浇铸级丙烯酸具有更高的分子量和熔点，比注射、挤压级更脆，因而它们较难焊接在一起。一般说来，待焊两种材料应具有相似的熔化流动速度（熔化流动速度反映出分子量的大小），彼此的熔点差在22℃以内。要获得好的结果，应焊接同级树脂。
6塑料水分含量

材料中的水分含量影响超声焊缝强度。吸湿材料如聚酯、聚碳酸酯、聚砜，尤其是尼龙从空气中吸收水分。焊接时吸收的水分在100℃会沸腾，残存气体会产生气孔及可能降解结合面处的塑料，造成外观变差、结合不良及难以获得气密封接。为获得佳效果，这些材料应在模制后立即进行焊接。如果这样不可行，零件应储存在乙烯包装袋中保持铸态干燥。焊前可用专用烘箱干燥零件，但必须注意避免材料降解。

7.同种材料的超声焊接

聚苯乙烯、SAN、ABS、聚碳酸酯和丙烯酸塑料通常能获得优良的结果，PVC和纤维素塑料易于衰减能量，在表面处变形或降解。如果焊头位置靠近接头区域（近场焊接），低模量材料如聚乙烯通常也是可焊的。各种热塑性塑料超声波焊接相容性见表1。

8.异种材料的超声焊接

在焊接异种材料时，两材料之间的熔点差不应超过22℃，分子结构应相似。对于熔点差异较大的情况，低熔点材料熔化和流动，阻止足够的热生成量熔化高熔点材料。例如，高温丙烯酸同低温丙烯酸相焊，导能筋铸在高温零件上，低温零件在导能筋之前熔化和流动，连接强度会很差。只有具有相似分子团的化学相容材料才能进行焊接。相容性仅仅存在于某些非结晶性塑料或含有非结晶性塑料的混合物中。典型的例子如ABS与丙烯酸，PC与丙烯酸、聚苯乙烯与改性聚苯醚。半结晶性聚丙烯与聚乙烯有很多相同的物理性质，但化学不相容，不能进行超声波焊接。