都说激光焊接与激光切割、激光打标共同构成激光加工技术的“三驾马车”，在工业领域得到广泛应用。强而轻的热塑性复合材料很难焊接。Elium是一种液态的热塑性树脂，用于制造复合材料的零件。它的机械性能类似于热固性塑料，加工又类似于热塑性塑料，即可热成形，因此可回收利用，通过超声波焊接进行连接。这个刹车踏板是由纤维增强型PA6制成。

超声波焊接用来连接热塑性复合材料。
增强型复合材料通过纤维增加树脂刚度，来改善超声波传导能力，提高复合材料的可焊性。但是，过多纤维会降低接头界面处的树脂含量，从而降低焊接强度。

医疗器械设备展 Medtec China整理了以下几种常见连接方法：

制造大型的单一复合部件，如汽车车身或飞机机身，需要一个大型而复杂的模具，因此这个过程会非常昂贵。替代的可选方案，是通过使用各种连接技术组装一系列较小的零部件，以更低的成本制造这样复杂的部件。

最常见的连接方法最紧固件连接，例如螺丝。使用紧固件的优点：不需要表面处理，易于检查，必要时可将部件拆卸。然而，紧固件有几个缺点：零件螺丝孔引起的应力集中；增加了结构的重量；螺丝价格相对昂贵，例如复合材料飞机上紧固件占结构总成本的19% ~ 42%。 粘接是另一种选择。近年来，胶粘剂在强度、疲劳寿命和刚度方面的性能有了很大的提高。胶粘剂的主要优点是能粘接不同的材料，也提供更均匀的应力分布。另一方面，胶粘剂需要大量的时间进行表面准备和固化，而且粘接接头不能拆卸。

混合接头使用粘合剂和机械紧固件提供了两者最佳的性能，具有良好的承重能力和疲劳寿命。但是仍需要大量的劳动力和较长的连接时间。

焊接是第三种选择。热塑性塑料因其加热熔化、加压改变形状的特性，所以适合于焊接。波音公司进行的一项研究发现，焊接复合材料机翼结构所需的劳动力成本比使用螺纹紧固件少了61%。

焊接热塑性塑料的一种方法是电阻焊（Resistance Welding）。在这种方法中，将导电材料的导线或编织物放置在接合界面中。当电流通过时，电阻产生的热量熔化周围的聚合物，形成焊缝。钢丝或编织物保留在接头上，影响焊接强度。这种技术的优点是可以焊接大型和复杂的接头。缺点是导电材料增加了成本。

另一个选择是感应焊接（Induction Welding）。在这个过程中，感应线圈沿着焊缝移动。线圈在导电碳复合材料层板中产生涡流，产生的热量熔化聚合物。

超声波的优点和局限性

第三种选择是超声波焊接。这个过程有很多好处：
• 超声波焊接是最快的连接方法，是自动化的理想选择。
• 不需要填充材料。可以进行点焊和焊缝焊接。
• 表面损伤是最小的，因为热量是在接合界面产生，而非顶部表面。
• 一个干净的工艺过程，不会产生烟雾或火花。

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超声波焊接也有局限性：
• 工艺可行性受限于结构和焊缝设计，最大零件厚度或者从表面到焊缝的距离限制在7毫米内（一些刚度较小塑料的最大厚度小于3mm）。超声波振动很难穿透较厚的零件。
• 具有高刚度、硬度和阻尼的材料会阻碍振动转化为热能的效率。
• 超声波焊接的工作原理是将机械振动传递到接头界面，因此焊接过程中会产生高频振动。由于振动循环加载，增加了零件尤其是电子元件疲劳失效的风险。

影响塑料可焊性的因素有：分子结构、熔融温度、流动性、刚度和化学组成。熔融温度与焊接所需能量成正比。熔融温度越高，焊接所需的超声波能量越多。刚度影响能量传递，坚硬的材料比柔软的材料能更好地传递振动。熔融温度、流动性和化学成份，在焊接不同聚合物时起到关键作用。比方说，如果一种材料熔融温度比另一种低，它就会熔化得早，造成粘结不良。为了达到最好的焊接效果，两种材料之间的熔融温度差不应超过22℃，并且两种材料的化学成份相容。

水分含量也会影响焊接质量。在100℃时，塑料吸收的水会蒸发，在接头界面产生多孔缺陷，降低焊接强度。脱模剂、增塑剂和抗冲击改性剂也会降低树脂传递振动的能力。

另一方面，填料可以通过提高材料刚性，来增强某些树脂传递超声波能量的能力。然而，填充物含量要限制。当使用高达20%的填料有助于传递超声振动，使用更多填料可能导致界面树脂量不足，从而降低焊接质量。

焊缝设计

超声波焊接的焊缝设计有两种：导能筋设计和剪切缝设计。导能筋是一个突起的三角或者半圆筋。可用于密封性要求低的小尺寸零件，以及公差较大的中大尺寸零件。对于剪切缝，振动传播方向平行于焊接界面，界面处的摩擦剪切力产生热量。当有较高焊接强度或高密封性要求时，使用剪切缝设计。剪切缝设计也适用于半结晶树脂的焊接。

导能筋的作用是通过尖点引导和集中超声振动，以增加接触点的粘弹性应力产生的热量。导能筋大小和形状会影响焊接质量。导能筋可以是半圆形、三角形或平面。由于”纯”聚合物和纤维增强型复合材料之间的刚度差异，扁平的导能筋也可以焊接复合材料。

在正确的工艺参数下，热塑性复合材料的焊接可以不需要导能筋，但是有导能筋总比没有导能筋要好。有研究表明：连接PA6复合材料时，对比焊接压力和振动时间参数，导能筋设计对焊接质量更加重要；当焊接碳纤维增强PEEK时，有导能筋的焊接强度要比无导能筋接头高50%。

超声波焊接参数

超声焊接质量受以下参数影响：振幅、焊接能量、焊接时间、焊接深度，焊接前、焊接中和焊接后压力，以及保压时间。

焊接质量在很大程度上取决于输入能量。输入能量由公式计算：E = F x f x A x t，其中E为输入能量（焦耳），F为焊接压力（牛顿），f为频率（赫兹），A为振幅（微米），t为时间（秒）。

有研究表明，焊接强度与总能量输入密切相关。例如对纤维增强PA6的焊接，当焊接能量从200J增加到1000J时焊接强度增加，但超过1000J时，由于在焊缝中产生气孔而降低了焊接强度。

焊接时间是另一个关键参数。例如，碳纤维增强PEEK，其焊接质量随着焊接时间增加而增加。但是，较长的焊接时间（1.1秒或更长）会在焊缝处产生裂纹和孔隙。振幅也起着重要作用，一般塑料的熔融温度越高，需要的振幅也就越大。

热塑性塑料的焊接

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常见应用大多数是用玻璃纤维增强的PP或PA。一致认为焊接时间和振幅对焊接质量影响最大。导能筋或者剪切缝的几何形状对焊接质量也有显著影响。例如，碳纤维增强PEI的超声波焊接，焊接强度随着ED的体积增加而增加，但达到一定的体积阈值后，焊缝强度下降。 对于碳纤维增强PA66的超声波焊接。研究人员发现，4mm厚塑料面面焊接，没有导能筋，焊接时间为2.1秒，焊接压力为0.15MPa，焊接强度为5200N。

对于碳纤维增强PEEK的超声波焊接。研究人员发现，当采用0.45mm厚的扁平导能筋，焊接强度随焊接时间的增加而增加。但在最佳时间后，进一步增加焊接时间会导致较大的裂纹和孔洞，焊接强度显著降低。

“绿色”复合材料的超声波焊接。研究人员利用超声波焊接技术将竹纤维增强聚乳酸连接在一起。焊接时间为3秒，保持时间为9秒，焊接压力为0.3Mpa时，焊缝强度达到最大。

另一项研究观察了使用剪切缝设计的玻璃纤维增强PA的超声焊接。焊接时间0.6秒，焊接压力为0.4Mpa，保压时间0.55秒的情况下获得了最大的接头强度。

焊接前的零件预热可能对难以连接的塑料有帮助。例如，一项研究观察了碳纤维增强PA66的超声波焊接。研究人员发现，在焊接前预热125℃的零件在拉伸和疲劳试验中比未预热的零件表现好30%。预热降低了复合材料的分解，温度梯度明显降低。

热塑性塑料焊接到其它材料

许多研究都着眼于将热塑性复合材料焊接到其它材料上，例如热固性复合材料、铝和钢。由于超声波焊接依赖于两种连接材料的熔化，因此热塑性和热固性复合材料之间焊接是不可行的。然而，可以将热固性复合材料焊接到热塑性薄膜上，如PEEK、PSU/PSF、PPS、PS、PEI和PVB。焊接温度是影响焊接效果的一个主要因素。焊接时必须注意防止热固性复合材料的热降解。尽可能采用短的焊接时间。

研究人员还研究了金属与热塑性塑料的超声波焊接。在这种应用中，振动是平行于零件的，而不是垂直的。例如，一项研究将铝焊接到纯ABS上，剪切强度达到2.3Mpa。

来源： 超声技术和应用HighTech