塑料之間的連接是非常具有挑戰(zhàn)性的。

特別是對(duì)于醫(yī)療行業(yè)，很難找到滿足生物相容性要求和FDA批準(zhǔn)的粘合劑。此外，許多常用的聚合物，例如PP，PE和PTFE，其表面能低，也導(dǎo)致難以用粘合劑粘接。

粘合劑通常被用作原型制造中的快速、臨時(shí)的解決方案。然而在后續(xù)量產(chǎn)時(shí)，塑料焊接則是一種更為經(jīng)濟(jì)有效的方案，能夠提供一致性好、高強(qiáng)度的焊接，且不需要額外的耗材。

塑料焊接的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，往往是由于焊接工藝選擇、焊縫設(shè)計(jì)和測(cè)試方法不當(dāng)，以及零件變形和尺寸偏差造成的。通過(guò)采取一步一步的排除分析和改善措施，可以減少或者消除這些問(wèn)題。

塑料焊接工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程遵循以下步驟：

• 定義問(wèn)題

• 選擇工藝

• 接頭設(shè)計(jì)

• 測(cè)試驗(yàn)證

一、定義問(wèn)題

在選擇焊接工藝時(shí)，前期明確產(chǎn)品材料和性能要求，對(duì)工藝選擇至關(guān)重要。通過(guò)早期定義這些，您可以避免后續(xù)損失。

在決定焊縫位置或焊接工藝之前，應(yīng)思考并回答以下問(wèn)題。

1.強(qiáng)度

載荷方向是什么?將會(huì)經(jīng)歷什么樣的拉伸或剪切力?

如果可能的話，設(shè)計(jì)的焊縫應(yīng)使其工作時(shí)盡量承受剪切力，因?yàn)樗芰虾附釉诩羟辛Ψ较虺惺艿妮d荷最大。塑料焊接可承受的拉伸載荷次之，可承受的剝離力最弱。如圖1所示。

2.密封

這個(gè)產(chǎn)品需要密封嗎？如果需要，要承受壓強(qiáng)是多少？是氣密還是水密？有測(cè)試溫度要求嗎？

對(duì)于有密封要求的產(chǎn)品，通常是在要密封的腔室一周設(shè)計(jì)有閉合的焊接線，以及相應(yīng)的溝槽或者狹小的縫隙空間，熔化的塑料填充滿槽或者縫隙，以實(shí)現(xiàn)密封要求。產(chǎn)品的尺寸大小和形狀不同，選擇的塑料焊接工藝也會(huì)不同

3.外觀

有什么外觀要求嗎？“A”面在哪里？允許溢料可見(jiàn)嗎？

大多數(shù)焊接工藝都有可能產(chǎn)生外觀缺陷。然而，這些問(wèn)題可以通過(guò)改善治具和優(yōu)化焊接參數(shù)、或者簡(jiǎn)化零件表面、或者隱藏焊接面的方式加以限制。如果無(wú)法避免，那么需要增加前一道工序（例如烘干）加以預(yù)防，或者增加后一道工序（例如去溢料）加以修正，不過(guò)這些措施會(huì)增加成本。

4.顆粒污染物

產(chǎn)品內(nèi)是否允許有顆粒物或者松散的溢料？

對(duì)于依靠表面摩擦產(chǎn)生熱量的焊接工藝，例如旋轉(zhuǎn)焊接和振動(dòng)摩擦焊接，很難避免不產(chǎn)生顆粒污染物，以及松散的溢料。

 5.材料

材料對(duì)焊接性能的影響因素，除了材料中的基礎(chǔ)樹(shù)脂特性，還包括各種添加劑，如著色劑、填充劑、沖擊改性劑、潤(rùn)滑劑等。這些組成共同影響焊接工藝的選擇。例如， 采用激光焊接工藝時(shí)，要求上層零件無(wú)著色劑，以允許激光穿透?jìng)鬏?；下層零件要求添加碳黑，以充分吸收激光能量?

一般情況下，應(yīng)盡量減少填料含量，以確保有足夠的樹(shù)脂進(jìn)行焊接，從而保證焊接強(qiáng)度。因此，建議填料含量控制在33%以下。

另外，兩個(gè)零件必須是材料相容的，即具有相同或相似的熔點(diǎn)和粘度，以保證分子間發(fā)生擴(kuò)散完成焊接。

二、選擇工藝

常見(jiàn)的塑料焊接工藝對(duì)比：

激光焊接塑料要求在上下零件吸收少量的光能（2um焊接系統(tǒng)），或者在焊接處上層透射-下層吸收光能（1um焊接系統(tǒng)）。能量吸收效率，由所選擇的波長(zhǎng)，以及樹(shù)脂與填料在該波長(zhǎng)上的透射度決定。

（激光焊接示意）

超聲波焊接通過(guò)因聚合物的粘彈特性而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)能量損失，即產(chǎn)生熱量來(lái)工作。產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的模具叫做焊頭。焊頭與零件接觸表面，必須平行于焊接筋，且距離較短（一般＜6mm）。此外，在焊接區(qū)域及附近，應(yīng)避免尖角和薄的懸臂結(jié)構(gòu)，防止損壞。

（超聲波焊接示意）

（醫(yī)療行業(yè)常用塑料的可焊接性能）

熱板和紅外焊接，分別加熱兩個(gè)部件的焊接表面，然后將兩個(gè)部件合在一起，施加壓力以促進(jìn)分子擴(kuò)散。在熱板焊接中，零件表面與加熱工具直接接觸，因此適合具有較高粘度的塑料焊接，以避免材料粘在熱板上。在紅外焊接中，零件表面應(yīng)避免白色，并添加填料以增加能量吸收效率，減小生產(chǎn)節(jié)拍。

（熱板焊接示意）

旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)摩擦焊接通過(guò)表面摩擦產(chǎn)生熱量以實(shí)現(xiàn)焊接。這些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，接頭設(shè)計(jì)必須適應(yīng)摩擦運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)方向，對(duì)于旋轉(zhuǎn)摩擦來(lái)說(shuō)，這意味著焊線設(shè)計(jì)必須是圓形。對(duì)于振動(dòng)摩擦來(lái)說(shuō)，接頭設(shè)計(jì)必須有足夠的側(cè)向間隙，以容納一定的振動(dòng)幅度。另外，十分重要的一點(diǎn)，焊筋下方支撐壁必須有足夠剛性，在載荷作用下不變形，以實(shí)現(xiàn)摩擦生熱。

（旋轉(zhuǎn)摩擦（左）和振動(dòng)摩擦（右）示意）

高頻焊接的工作原理是將高介電損耗的聚合物暴露電磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向高頻交替變化（通常27MHz)。應(yīng)用于10-50mm厚度的薄材料焊接。可用該工藝的材料非常有限。其中，聚氯乙烯(PVC)是最容易的。

（高頻焊接示意）

三、接頭設(shè)計(jì)

在塑料焊接中，接頭強(qiáng)度取決于聚合物鏈在熔體界面上的流動(dòng)，并在接頭處產(chǎn)生分子鏈糾纏的程度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)合理的焊縫設(shè)計(jì)非常重要。它可以熔化和塌陷，產(chǎn)生熔體流動(dòng)。此外，一個(gè)良好設(shè)計(jì)的焊縫，有助于提高加熱速率，防止泄漏，隱藏溢料，并幫助上下零件對(duì)齊。常見(jiàn)的接頭設(shè)計(jì)。

（常見(jiàn)超聲波接頭設(shè)計(jì)）

不同的焊接工藝，通過(guò)不同的方式產(chǎn)生熱量，加熱速率也不相同。好的接頭設(shè)計(jì)實(shí)際上可以提高加熱速率。例如，超聲波焊接通過(guò)使用一個(gè)稱為“三角導(dǎo)能筋”的接頭來(lái)提高加熱速率。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，采用正壓力更大的剪切焊縫設(shè)計(jì)，比采用斜搭焊縫設(shè)計(jì)的加熱速率更快。

采用溝槽焊縫設(shè)計(jì)，有助于提高密封性能。這種類型的接頭，熔體可以停留在溝槽內(nèi)及側(cè)壁間隙中，從而減少空隙，提高密封性能。然而，在某些情況下，空氣可能被困在溝槽中，當(dāng)被困的空氣產(chǎn)生足夠的壓力在熔體中形成氣孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致泄露。

焊接過(guò)程中，從接頭處會(huì)擠出一定數(shù)量的熔料，可通過(guò)接頭設(shè)計(jì)來(lái)控制。接頭兩側(cè)增加擋邊，隱藏溢料，甚至控制熔體流動(dòng)方向，側(cè)壁也有助于上下零件的對(duì)齊。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

焊接結(jié)果的好壞，必須要有正確的測(cè)試方法和治具來(lái)進(jìn)行評(píng)估。如果遵循一些簡(jiǎn)單的指導(dǎo)方針，焊接強(qiáng)度和氣密性很容易測(cè)試。

1.強(qiáng)度測(cè)試

施加載荷的方向?qū)y(cè)試結(jié)果至關(guān)重要。施加載荷的位置和方向應(yīng)該和實(shí)際工作時(shí)載荷保持一致。

確保接頭在零件本體破壞前失效。如果測(cè)試時(shí)，本體材料發(fā)生破壞，那么測(cè)試無(wú)法給出焊接強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，測(cè)試方案應(yīng)該重新設(shè)計(jì)。

測(cè)試整個(gè)接頭，而不是截取部分進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。局部測(cè)試可能是不準(zhǔn)確的，因?yàn)槠浜鲆暳藵撛诘囊恍┹^高應(yīng)力的區(qū)域。在初始裂紋產(chǎn)生后，其余位置焊縫會(huì)在拉力測(cè)試中失效。如果只進(jìn)行局部測(cè)試，將忽略這一種失效方式，錯(cuò)誤的高估焊接強(qiáng)度。

如果整個(gè)接頭難以固定進(jìn)行拉力試驗(yàn)，那么考慮使用爆破壓力測(cè)試。

2.密封性能測(cè)試

定義的測(cè)試壓力和可接受的泄漏率，是與最終的使用環(huán)境和要求相關(guān)。常用空氣衰減泄露測(cè)試儀，分氣檢和水檢。水密檢測(cè)可以設(shè)定不同的水溫。

在泄漏測(cè)試時(shí)不要將人為加大治具壓緊力。較大的壓緊力導(dǎo)致焊縫接頭壓縮，將產(chǎn)生人為的低泄漏率。

五、結(jié)論

對(duì)于醫(yī)療行業(yè)，焊接提供了比粘合劑更好的塑料連接解決方案。這個(gè)簡(jiǎn)單的指南有助于你初步選擇焊接工藝。最后，如果有東西本該可以焊接，但是卻不能。那么是否可以通過(guò)修改來(lái)改善？這時(shí)候，您需要咨詢更專業(yè)的塑料焊接專家。我們很高興幫助回答這一問(wèn)題。