五步排查法 高性价比焊接工艺就在眼前

吴刚，艾默生必能信亚洲非超声应用中心高级经理

作者简介：在必能信从事非超声塑料焊接应用的开发近二十年，对各种非超声焊接工艺和设备都有深入的了解和丰富的实践经验。支持和参与了旋转，振动摩擦，热板，红外，激光等焊接技术应用的本地化，以及汽车零部件铝改塑和许多汽车 / 家电 / 医疗等塑料焊接新应用的开发。

焊接技术的持续创新，为医疗器械、新兴包装材料、电动汽车和新一代电池等复杂且快速增长的行业提供了强大的技术支持。作为塑料和金属焊接领域的知名供应商，艾默生必能信能为不同行业客户提供前沿焊接工艺。

世界上所有的连接工艺都取决于被焊接的材料的组合。

面对形形色色的连接工艺，如何快速找到最具性价比的焊接工艺呢？基于 75 年在焊接领域的专业知识和丰富经验，必能信总结出“五步法”，针对比较常见的焊接应用，只需五步，即可快速确认合适的焊接工艺。快来看一看吧！

第一步，检查产品的材料 ( 图 1)。

表2. 超声金属连接的匹配表

表1. 焊接兼容的树脂组合

树脂相互连接，请参照表 1 中的兼容性，金属相互连接，请参照表 2 中的兼容性。如果是相同材料，它们很可能是兼容的，但也有一些例外。

另外，金属、树脂各自的不同材质之间的接合，也可能通过采用一定的组合方式达到连接的目的。树脂和金属的焊接可以通过超声波铆接来实现。在某些条件下，可能会出现兼容性图表中没有列出的新组合。

当被焊接材料为两种可兼容的热塑性塑料时，如果产品的焊接结果能接受粉尘或毛刺，必能信优先从超声波工艺开始排查。若完全不能容忍毛刺，那我们建议从激光工艺开始排查。

当树脂与树脂焊接时，由于焊接过程中可能会产生细小的粉尘和毛刺，因此适用的焊接工艺将根据粉尘和毛刺是否可以被接受而改变。对于完全不能容忍毛刺的产品（如医疗设备），我们建议使用“外部加热”的焊接工艺，如红外或激光焊接，从焊接区域外施加热能。

相反，如果产生的粉尘和毛刺是可以被接受的，或者焊接后有一道清洁工序，例如吹气，那我们建议采用超声波或振动等焊接工艺，这些工艺利用焊接区域的摩擦生热来产生“内部热量”。

“内部发热”的焊接工艺除了循环时间短这一优点之外，还可以减少焊接筋到达熔点后摩擦热的产生，从而自动抑制焊接区域的过度加热。因此，它被广泛用于许多高熔点材料的焊接。

第二步，对于可以接受粉尘和毛刺的塑料产品来说，从产品尺寸、结构的角度继续验证是否具备超声波焊接工艺的基本要求。

超声波焊接具有焊接周期时间非常短，初始成本和运行成本相对较低的特点，即便其在材料、形状和尺寸方面存在局限性。关键是要确保将超声振动能量传递到接合面而不发生明显衰减。超声波焊接需要制造一种被称为“焊头”的专用夹具，该夹具从上方对重叠的被焊工件加压的同时施加超声波能量。是否有足够的超声波振动能量从焊头通过上工件到达接合面，很大程度上受焊接区域的高度和部件形状的复杂性的影响。

若产品具备以下条件：1）尺寸小于名片尺寸，或大于名片尺寸但无气密性要求；2）焊头接触面和接合面是平面；3）焊头接触面到接合面的距离小于或等于 6 毫米，该产品符合超声波焊接工艺的基本要求，可直接进入应用开发阶段。

若被焊接产品不符合上述任一条件，必能信应用专家可以帮助您继续验证超声波焊接可行性，或进入振动摩擦焊接工艺判断。

第三步，根据产品壁厚、结构设计和粉尘要求判断是否适用振动摩擦焊接或 CVT（清洁振动摩擦焊接）工艺 ( 图 2)。

产 品 不 能 采用超声波焊接，依然有可能采用振动摩擦或清洁振动摩擦焊接技术（简称CVT）。在这一步骤中，关键要点是上下工件是否能在水平方向上相对振动。此外还需要考虑是否能用夹具直接在接合面的上方和下方进行施压。振动摩擦焊接是一种通过结合面相互摩擦，利用摩擦生热来进行焊接的工艺，因此会产生粉尘毛刺和毛边脱落。

为了改善这种情况。CVT 应运而生。

若被焊接产品同时具备：1）在上 / 下两个塑料件组合情况下，塑料件可以相对左右振动，每侧大约 1 毫米（合计 2 毫米）；2）上夹具可以支撑焊接区域的正上方，下夹具也可以支撑其正下方（下夹具可以采用气缸驱动的滑块进行支撑）。该产品已满足振动摩擦或 CVT 的基本要求。如果希望尽可能减少粉尘和毛刺，提高焊接强度，并愿意因此增加初始投资，那么 CVT 会是更理想的选择。

若被焊接产品不满足上述任一条件，必能信应用专家可以进一步评估该工艺可行性，或进入激光或红外焊接工艺的排查。

第四步，如果被焊接产品是由透射激光和吸收激光的材料组成，可以判断该产品适用激光焊接工艺。

激光焊接是一种不会产生毛刺脱落，且能达到气密要求的焊接工艺。采用激光焊接工艺必须选择合适的材料，要求采用一种能激光透射的材料与另一种吸收激光能量的材料。透射激光材料的透光率越高，焊接效果越好（透光率估计在 30% 以上）。可以根据产品的形状和所需规格选择合适的激光焊接方法，如同步透射式或扫描式。就初始投资而言，同步透射式较扫描式往往更加昂贵，但其特点是焊接强度，气密性和可重复性非常一致 ( 图 3)。

图3. 例如：透光材料（透明或本色）+吸光材料（含碳粉）

如果产品的形状复杂，焊接面是三维形状，且透射激光的上工件的厚度不一致，必能信建议您选择同步透射式激光焊接。

如果产品焊接面的形状简单，焊接面是平面，且激光透射的厚度是相同的，那么扫描式激光焊接是一个不错的选择。

如果被焊接产品的材料不满足激光焊接的要求，那么进入红外焊接工艺的排查。

第五步，根据产品结构（特别是热敏感元件所在位置）判断是否适用红外焊接工艺。

作为激光焊接的候选工艺，红外线焊接是在待焊零件之间插入加热器，在不接触的情况下将它们加热到适合的温度，然后取出加热器，将部件压合起来，其条件是零件的形状和结构允许插入和取出加热器。

加热器发出的红外辐射会有一定程度的扩散，即使设计相应的加热器的形状，也不可避免地会在一定程度上对焊接部件的周围施加热量， 因此当焊接区域的周围存在热敏感元件时必须特别小心 ( 图 4)。

为了找到最佳的焊接解决方案，需要进行更为深入的研究。例如在扫描式激光和同步透射式激光都可采用的情况下，选择哪种工艺更合适？同步透射式激光的初始成本比扫描式激光高。然而，与扫描式相比，同步透射式的节拍时间更短，连接质量更高，更适合量产。在原型试验阶段使用扫描式激光工艺，在大规模生产阶段改用同步透射工艺可能是一个更好的方案。在连接质量、节拍时间、成本等众多要求中，优先考虑哪些要求将视具体案例而定。

此外，即使在图表上被判断为难以应用的工艺，也可能通过设计夹具来解决。例如，在超声波焊接过程中，将超声波传递到被焊工件的“焊头”是这项技术的核心。上文提到，焊头的接触面接合面的形状，以及两者之间的距离被视为判断的依据，但很难通过简单描述对特定形状的数据进行分析判断。而必能信基于多年积累的专业知识和丰富的实践经验，可以利用 3D 数据进行详细分析，来优化“焊头”设计，从而扩展应用的可行性。

必能信拥有一支经验丰富的行业焊接服务专家，以及业内独一无二的“焊接服务中心”。无论您是希望降低产品成本，提高合格率，还是其他定制化要求，必能信焊接服务专家都会详细听取您的项目目标和挑战，为您制定高质量的解决方案。必能信不仅仅是焊接设备制造商，我们致力于成为各行业头部企业值得信任的焊接专家，为您的产品创造更大的价值。