用声波焊接塑料

**US 3,224,916**，*超声波热塑性零件焊接方法*，**Robert S. Soloff** 与 Seymour G. Linsley，转让给 **Branson Instruments**；申请日为 **1963年12月6日**，序列号 328,500，授权日为 **1965年12月21日**；共 8 项权利要求，美国分类号 156-73。已失效。本页图纸为该专利自带的第 1 页图纸：FIG。1 为接合部，FIG。2 为焊头，FIG。3 为剖面。 说明书涉及以*高强度超声能量源*焊接热塑性零件组件，并明确指出零件必须*紧密接触*，且该方法适用于*难以熔化的热塑性材料*——这一点很有意思，因为这些正是胶粘剂同样难以胜任的材料。 现在去找一个这样的例子。切开一个便宜的注塑组件，你不介意将其损坏——例如玩具、一次性剃须刀手柄、笔杆或小型电器外壳。在显微镜下观察其配合面。 在焊接接缝上，你会在仅一个面上发现一条沿接合线环绕的**小三角形凸筋**——高度仅几分之一毫米，底部宽度通常与之相当。这就是能量导向筋。若零件已经焊接过，该凸筋会被压平，熔料会向两侧挤出，形成细小的熔珠。 用显微镜和卡尺测量该凸筋。第 4 步将说明为何是这一尺寸而非其他尺寸。

如果你有超声波焊接机（塑料用的，不是金属用的或清洗槽），请认真完成此实验。如果没有，第3步提供了一种台式替代方法，可以演示相同的机理。 打印或模制两个平板试样，接合面尺寸为40 × 10 mm。在其中一个上设置一个三角形能量导向体，高0.4 mm，宽0.5 mm，贯穿整个长度。另一对保持平面作为对照。 设置焊接机：下部零件下方使用刚性夹具，上部零件上放置平面焊头，开始时使用较短的焊接时间和较低的压力。焊接后，用台钳和弹簧秤将接头拉开，记录受力大小以及**断裂位置**。 每次只改变一个变量，依次扫描并绘制曲线： - **焊接时间**——过短则导向体未塌陷；过长则熔体被挤出，接头缺料。 - **压力**——过小则焊接过程中界面无法保持接触；过大则导向体在熔化前即被压碎，从而破坏剪切生热。 - **振幅**（如果设备允许调节）。 良好的焊接应在接头旁边的**母材**处断裂，而不是在接合处断裂。无导向体的平面对照件几乎毫无强度，这正是能量导向体的作用所在。 超声波设备的噪声水平在仪表上可能显示并不高，但其实很响——大部分能量处于人耳听觉范围之外，而次谐波则不然。请佩戴听力防护装备，手指远离焊头路径，并且切勿触碰刚运行过的焊头。

三种无需超声波焊头即可熔融界面的方法，各自体现同一思想的不同方面。三种都做一做，并比较它们的断裂面。 **旋转焊接。** 将打印好的圆柱形凸台夹在钻床卡盘上，把与之配合的部件固定在下方的台钳中，以几百转每分钟的转速运转并将两者压合。摩擦会在一两秒内熔化界面；停止主轴，并在其冷却凝固时保持压力。这与该专利的机理相同——机械功输入界面——只是以旋转代替振动。它只适用于圆形接头，这恰恰说明了超声波为何值得发明。 **溶剂焊接。** 对于 ABS 或丙烯酸材料，溶剂胶并非简单粘合：它会**溶解**两个接触面，使高分子链相互扩散，随后溶剂挥发，两个部件融为一体。将少量胶涂于两个接触面，压合、夹紧，并且静置时间要远超你的直觉——溶剂接头在一小时时的强度只是最终强度的一小部分。在聚丙烯上尝试同样的胶水：什么也不会发生，因为没有常见溶剂能溶解聚烯烃。这种失败值得刻意去制造一次。 **热板焊接。** 将两个接触面压在干净的热板上，温度比熔点高约30 °C，直到形成熔珠，然后移开，再将两者压合。方法粗糙、缓慢，但在聚乙烯和聚丙烯上它能做出三者中最牢固的接头——管道正是以这种方式在现场连接的。 将所有接头破坏后，在显微镜下观察断裂面。真正的焊接会显示拉伸后的纤维状聚合物；失败的焊接则显示两个光滑的、从未真正融合为一体的表面。 溶剂胶易挥发且常有害——请在通风橱中或户外使用，佩戴丁腈手套，远离明火与火源。热板在关闭电源后很长时间内仍然危险。

**归属。** 美国专利 US 3,224,916，*Sonic method of welding thermoplastic parts*（热塑性塑料零件超声焊接方法），发明人 Robert S. Soloff 和 Seymour G. Linsley，转让给 Branson Instruments；申请日 1963 年 12 月 6 日，授权日 1965 年 12 月 21 日，现已失效。本页图示为该专利原图。 **为何传播如此之快。** 超声焊接无需耗材、无需固化时间、无需处理溶剂，零件中也不引入第三种材料。一个焊接周期只需几分之一秒，因此能够跟上注塑生产线的速度；由于焊后零件保持较低温度，可以立即搬运。实际上，几乎所有不通过螺钉连接的注塑消费品外壳都采用这种方式焊接。 **能量导向筋才是真正的发明。** 将超声作用于平面接缝时，各处只会略微升温，无法实现焊接；第 4 步会说明原因。将应变集中到一个小型注塑三角形凸筋上，便能把分散的加热问题转化为局部熔化问题，而且几乎没有额外成本，因为它只需在模具上加工一次。 **与胶粘剂层级的关系。** 目录中的胶粘剂方案主要针对借助第三种物质连接*不同*材料的情况。焊接则是相反的情形：同一种聚合物，没有第三种物质，接头与零件本身难以区分。两者皆可行时，焊接在速度、强度和可回收性方面更具优势；而当材料不同、接头需要密封间隙，或零件无法被压合在一起时，胶粘剂更为合适。 **客观局限。** 超声焊接**仅适用于热塑性塑料**，且几乎所有情况下要求接合两侧为*相同*聚合物——不同聚合物之间不会发生相互扩散。它需要模塑成型的接合特征，因此必须从设计初期就考虑，无法事后改造。聚丙烯和尼龙等半结晶聚合物比 ABS 等非晶态聚合物更难焊接，因为能量主要用于熔化晶体，而非使接合面升温超过玻璃化转变温度。此外，设备既不便宜，也并非无害，这正是第 3 步存在的原因。