04 超声波焊接效果的影响因素
一、塑胶材料因素
上篇已经介绍的适合超声波焊接的材料选择，一般情况下两种材料满足Tg或熔点接近、化学相容性良好和熔体流动指数接近这三个条件，基本可认为是可焊接的，但需要注意以下几点：
1、热塑性塑胶又分为非结晶性（也叫无定形）塑胶和结晶性（或半结晶性）塑胶。
1）对于非结晶性塑胶 ，其分子排列无序、有明显的使材料逐步变软、熔化及至流动的温度（Tg玻璃化温度）。
2）对于结晶性塑胶 ，其分子排列有序，有明显的熔点（Tm熔化温度）和再度凝固点，在温度达到熔点之前，半结晶塑料始终保持固态，当温度达到熔点时，整个分子链开始移动，塑胶开始融化，如果此时热量降低，塑胶很快就会凝固。图3-106显示了非晶塑料和半结晶塑料的熔化过程之间的差异。
同时，结晶性塑料常常有较高的熔点，需要很高的能量（高熔化热度）才能把结晶型的结构打断从而使材料从结晶状态变为粘流状态。因此，与非结晶性塑料相比，结晶性塑料更难焊接。为了获得结晶塑料的更高焊接质量，通常需要考虑更多因素，例如更高的振幅，更短的焊接距离等，且为了集中超声能量，超声线的角度设计的更小或采用其他的超声结构（剪切式）。
焊接过程中，结晶性（或半结晶性）塑料迅速熔化和迅速冷却，焊缝处容易产生较多的非晶态（无定形）状态塑料。如当产品在后续使用过程中在高温下工作时，焊缝处非晶态（无定形）状态塑料会逐步转变成半结晶状态，从而在焊缝处内部产生额外的结晶应力，可能会降低焊接强度。
2、同一材料之间熔点是相同的，从原理讲是可以焊接的，但是当材料的熔点大于350℃时，不建议使用超声焊接。因为通过超声波振动效应熔化高熔点的材料需要更久的时间，显然超声波焊接效率的优势就明显降低，此种情况应该选择其它焊接工艺，如热板焊接等。
3、难焊接的材料，除非部件设计可以弥补材料性能对焊接的影响。例如，焊接低储能模量材料时（如弹性体、聚丙烯和聚乙烯等），焊头和焊接面之间的距离应该尽可能小（近场焊接）。
4、塑胶中填料的影响
填料如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性，塑料中填料的含量与塑料的可焊性和焊接质量密切相关，填料含量低于20%的塑料无需特殊处理即可正常焊接，当填料含量超过30%时，混合物没有足够的流动性，不能流入两侧形成更多的粘接区域，因此焊缝表面塑料比例不足，分子间融合不足，焊接强度会降低。
解决方法：
对于这类填料含量高的塑胶件不适合使用三角导筋或台阶焊筋焊接，常常使用剪切缝，在焊接过程中连接界面上会产生类似的涂层动作，使熔融塑料产生更大的流动性，因此能够更容易焊接，同时剪切缝熔化粘接面积较大，所以也有利于密封。
焊接强度的影响：
5、润滑剂、脱模剂和杂质的影响。
6、塑料吸湿性的影响
7、除此之外，还有许多其它因素会影响焊接强度：
二、塑胶件超声结构的设计
1、超声结构
1）超声线的含义
2）为什么需要设计超声线？
a）缩短焊接时间 ，当超声能量一定时，有超声线的设计需要熔化的体积小且能集中能量，比无超声线的设计熔化时间要少，同时，焊接时间的缩短有助于避免塑胶件长时间焊接而引起的过焊问题，也避免焊头与塑件件接触处损伤问题。
b）降低成本 ，有超声线的设计，需求的超声波能量降低，焊接时间缩短，振幅可以调小，不良品率降低，从而可以降低成本。c）减小溢料，提高外观效果 ，而无超声线的设计，熔化的塑料直接溢出到外观；有超声线的设计，其熔化的塑料会首先填满焊缝，溢料少，通过合理的超声线及配合结构设计后，可避免外观面溢胶风险。
3）超声线的基本设计
a）超声线的角度θ ，最常用的为90°和60°，60°的超声线比90°具有更尖顶部，比较适用于半结晶塑料（如PA、PBT、、PE、PP和PPS等）以及高熔化温度的无定形塑料（如PC和PSU等）；90°的超声角度通常应用于易于焊接的树脂（无定形塑料，例如 ABS、SAN、PMMA和PS等）。
b）超声线的高度h ，当角度确定时，高度越高，需要熔化的塑料就越多，超过一定高度后，即使再多的熔化塑胶参与连接，焊接强度也不会明显增强了，因熔化更多塑料，需要更多的超声波能量，会带来其他问题，因此超声线的高度h不能过高，对于无定形塑料一般建议取0.3~0.6之间；对于半结晶塑料建议取0.5~1.0（因为半结晶塑料通常采用的超声线角度（如60°）比无定形塑料的小（如90°），为了保证超声线有相当的体积，半结晶塑料的高度取值会大些）
以下为无定形塑料和半结晶塑料的取值区别，其中h的取值与塑胶部件外形大小有关外，也与塑胶部件的壁厚有关。
c）超声线的宽度b，超声线的截面一般为等腰三角形，宽度值b可以通过角度θ以及高度h换算出来，这里就不详细介绍了。
图：封闭的超声线
图：间断的超声线
4）超声波焊接的配合结构
a）普通型在实际的应用中，普通的超声波焊接配合结构较简单，存在一定的缺陷，有一定的风险产生溢胶，同时没有止口限位，容易产生断差，不能很好满足外观要求。(下图为普通型超声波焊接配合结构的简图，超声线的尺寸可按上述介绍参考设计)
为了解决溢胶和断差问题，以下有三种改善结构 （较适用于一些高度较小的端盖型零件焊接）：
图1 ： 有内部围边自定位，断差可以得到一定改善，但是还是存在在外观面溢胶风险。
图2 ： 有外部围边自定位，断差得到改善（即使有在外观上也不明显），溢胶面在内部，外观无溢胶。
图3 ： 有内外围边自定位，断差得到改善，同时内部和外观都无溢胶。
这种普通的超声波焊接配合结构，其优点是，由于不在外壁上设计止口，壁厚均匀性好，因此，除了应用在端盖型产品焊接上，也适用于小型产品，这类产品壁厚本来就小，再切止口容易产生应力痕等外观缺陷。比如，在苹果公司的专利中，发现一项“无缝一体式结构”的专利，描述了如何将不同的零件焊接在一起以获得无缝的外观。
具体是对超声波焊接后产生的溢出焊接环进行切割、打磨、抛光和清洁等工序后，可以制造出具有无缝、更美观的“一体成型”外观的耳机。
b）阶梯型
尺寸参数设计：
阶梯型配合结构常用于壁厚W≥1.5mm的产品零件，这是因为需要留出母止口的宽度，如果壁厚过小，那么必然导致焊缝宽度变小，焊接强度就会受到影响。如果壁厚W小于1.5，那么推荐以下配合结构（也就是上述介绍过的凿子型超声线结构）。
c）凹槽型
凹槽型由于是在双止口的基础上设计的，所以也叫双止口型。
优点：
缺点：
尺寸参数设计：
同样地，如果壁厚W小于3mm，那么推荐以下配合结构。
d）剪切型
在焊接如PA、POM、PP、PBT等某些半结晶塑料时，采用以上的焊接配合结构可能达不到预期的效果，这是因为半结晶塑料在相对狭窄的温度变化范围内熔化在变回固态，超声线熔化后还没来得及与对面塑料接合就开始固化，此时的焊接强度只能由三角形的宽度区域决定，显然焊接强度就会低。
针对此类塑胶，推荐采用剪切型焊接结构，如下图。
焊接过程： 首先是熔化前端开始接触的小面积区域，然后随着向下的压力作用，垂直壁的干涉部分开始受到剪切作用熔化，熔化的塑料在两个空隙窄小的垂直壁界面之间流动，空气很难进去到两界面之间的溶解区域，避免塑料过早凝固，同时剪切作用有利于熔融塑料分子与塑胶熔合，从而取得更高的焊接强度。尺寸参数设计：