超音波熔接技術原理
超音波熔接（Ultrasonic Welding）是利用15,000至70,000 Hz的高頻機械振動進行塑膠接合的技術。超音波發生器產生的電能經由轉換器（Converter）轉換為機械振動，再透過增幅器（Booster）放大後，由焊頭（Horn/Sonotrode）將振動能量傳遞至塑膠介面。
當高頻振動能量集中於接合面時，塑膠分子間的摩擦產生熱量，使熱塑性塑膠在數十毫秒內達到熔融溫度。停止振動後在壓力下冷卻，即完成分子層級的永久接合。整個焊接週期通常僅需0.1至1秒，是所有塑膠接合技術中速度最快的方式。
超音波熔接技術於1960年代開始商業化應用，美國Branson公司是這項技術的先驅，至今已有超過60年的發展歷史。目前廣泛應用於電子產品、醫療器材、汽車零件、包裝與紡織等產業。
超音波熔接頻率選擇指南
頻率選擇是超音波熔接最關鍵的決策之一，直接影響可加工零件尺寸、能量穿透深度與設備體積。頻率愈低，功率愈大、穿透愈深；頻率愈高，振動愈精細、適合微型零件。
工業標準頻率
功率最高可達3000W以上，適合大型零件、遠場焊接、金屬嵌件與複雜幾何形狀。焊頭半波長約130mm。
精密應用頻率
功率範圍400-1200W，適合中型精密零件與電子元件。振動量較小，不易損傷敏感內部組件。
電子元件頻率
功率約1000W，焊頭半波長約68mm。專為電子產品與精密塑膠件設計，振動對內部零件影響最小。
微型元件頻率
極低功率，專用於微型元件與精密醫療器材。RINCO Standard 50型號配備0.01 bar精密壓力調節器。
| 頻率 | 轉換器振幅 | 焊頭長度 | 最大功率 | 適用零件 | 能量穿透 |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 kHz | 約 20 μm | 約 130 mm | 3000W+ | 最大 9×12 英寸 | 深（遠場） |
| 30 kHz | 中等 | 約 100 mm | 1500-2000W | 中大型 | 良好 |
| 35 kHz | 約 12 μm | 約 80 mm | 1200W | 中型 | 中等 |
| 40 kHz | 約 9 μm | 約 68 mm | 1000W | 中小型 | 有限 |
| 70 kHz | 極低 | 更短 | 低 | 微型 | 極有限 |
近場焊接 Near-Field
焊頭接觸點至焊接介面距離 ≤ 6.35mm（¼英寸），適用於所有頻率與所有材料類型，是最可靠的焊接方式。
遠場焊接 Far-Field
焊頭接觸點至焊接介面距離 > 6.35mm，僅適用於較低頻率（15-20kHz）與剛性非晶型材料（如ABS、PS、PMMA），因高頻能量在材料中衰減較快。
瑞士 RINCO Ultrasonics AG
🇨🇭 瑞士精密製造
RINCO Ultrasonics AG 總部位於瑞士Romanshorn，全球員工約150-160人。在德國、義大利、法國、丹麥、瑞典、西班牙、波蘭、馬來西亞與美國設有全資子公司。
機器於瑞士製造，焊頭模具在美國康乃狄克州Danbury生產。自1997年起，RINCO與德國KLN同屬美國Crest Group集團。
Electrical Motion2 系列
伺服驅動旗艦產品線，相比氣壓式機型節省78%能源成本。配備13.3吋TFT彩色觸控螢幕，通過ISO 14644-1 Class 6無塵室認證與PL e安全等級。
振幅可在40-100%範圍以1%增量調整，支援8種焊接模式：時間、能量、行程（絕對/差分）、接觸截止、多段熔融控制等。
RINCO 產品規格對照
| 型號 | 頻率 | 最大壓力 | 驅動方式 | 行程精度 | 特色 |
|---|---|---|---|---|---|
| Electrical Motion2-20 | 20 kHz | 3000 N | 伺服電動 | ±0.01mm | 節能78%、10段程序控制 |
| Electrical Motion2-35 | 35 kHz | 750 N | 伺服電動 | ±0.01mm | 精密應用 |
| Standard 3000 | 20 kHz | 3000 N | 氣壓 | ±0.01mm | 32組參數儲存 |
| Standard 745 | 35 kHz | 745 N | 氣壓 | ±0.01mm | 紡織/精密應用 |
| Standard 50 | 70 kHz | 50 N | 氣壓 | ±0.01mm | 微型元件、0.01bar壓力調節 |
RINCO發生器功率選項：20kHz提供1000W、1500W、2000W、3000W；35kHz提供400W、600W、900W、1200W。CleanRoom（CR）版本採用鉻鋼外殼，通過ISO Class 6無塵室認證。
美國 Branson（Emerson）
🇺🇸 超音波熔接先驅
Branson Ultrasonics 現為Emerson工業自動化部門，1946年創立、1963年開發超音波熔接技術，擁有超過75年技術歷史。
全球總部投資4,900萬美元，員工超過1,800人，在全球設有70個銷售與服務據點。新佳城科技提供Branson設備維修服務與熔接治具製作。
GSX-E1 系列旗艦平台
專為小型精密塑膠元件設計的頂級平台，觸發力最低僅5N（業界最低），適用精密敏感元件。配備專利Dynamic Weld Mode，可即時監控並調整多項參數。
快換系統可在5分鐘內完成模具更換（傳統方式需1小時以上），支援FDA 21 CFR Part 11合規追溯功能。
Branson 產品規格對照
| 系列 | 頻率 | 功率範圍 | 壓力範圍 | 特色 |
|---|---|---|---|---|
| GSX-E1 | 20/30/40 kHz | 0.4-4.0 kW | 5-2500 N | 業界最低5N觸發力、5分鐘快換 |
| 2000Xc | 15/20/30/40 kHz | 400-4400W | 全範圍 | S-Beam負載元件、最高階 |
| 2000Xd | 15/20/30/40 kHz | 全範圍 | 全範圍 | VGA觸控螢幕、程序圖形化 |
| 2000Xea | 15/20/30/40 kHz | 全範圍 | 全範圍 | 專利振幅剖面控制 |
| 2000IW+ | 20 kHz | 1.1-3.3 kW | 標準 | 整合式設計、適合實驗室 |
| E-PLUS | 20 kHz | 標準 | 標準 | 經濟型入門機種 |
焊頭（Horn/Sonotrode）設計
焊頭是超音波熔接系統中將電能轉換為機械振動並傳遞至工件的關鍵元件，必須精確設計以在工作頻率下達到共振。焊頭共振頻率必須與換能器匹配至±0.25%（20kHz時為±50Hz）。
焊頭剖面類型
| 階梯式（Stepped） | 最常見，製造簡單 |
| 指數式（Exponential） | 複雜剖面，漸進錐度 |
| 圓錐式（Conical） | 線性錐度 |
| 懸鏈式（Catenoidal） | 優化應力分佈 |
焊頭材料選擇
| 鈦合金 | 高硬度、優異疲勞性、最佳聲學特性，適合高負載生產 |
| 鋁合金 | 低成本、良好聲學、低硬度，適合通用與原型開發 |
| 鋼 | 僅限低振幅、耐磨，適合金屬嵌件與玻璃纖維材料 |
焊頭長度計算
焊頭長度必須為工作頻率半波長的整數倍。聲音在鋁、鋼、鈦中的傳播速度約為6000 m/s，因此：20kHz半波長約130mm、35kHz約80mm、40kHz約68mm。新佳城科技提供客製化焊頭設計與製作服務。
超音波熔接適用材料
非晶型塑膠在加熱時逐漸軟化，無明確熔點，是超音波焊接的理想材料。半結晶型塑膠有明確熔點，需要更高能量輸入且必須使用剪切接頭。
非晶型塑膠（超音波熔接效果優異）
半結晶型塑膠（需特殊處理）
半結晶材料焊接要點
• 使用剪切接頭而非能量導向器
• 採用近場焊接（≤6.35mm）
• 使用較高振幅（60-125 μm）
• 選擇較低頻率（20kHz）
• PA材料需預乾燥去除水分
無法焊接的材料
PTFE（鐵氟龍）完全無法使用超音波熔接。熱固性塑膠（如環氧樹脂、酚醛樹脂）因無法重新熔融，同樣不適用。異種材料焊接需確保熔點差異在22°C以內且具備化學相容性。
超音波熔接參數設定
| 參數類別 | 非晶型塑膠 | 半結晶型塑膠 |
|---|---|---|
| 振幅範圍 | 30-100 μm | 60-125 μm（較高） |
| 焊接時間 | 0.1-1 秒（典型 0.2-0.5 秒） | |
| 總週期時間 | 數秒（含冷卻） | |
| 焊接壓力（20kHz） | 最高 3000 N | |
| 焊接壓力（35kHz） | 最高 750 N | |
| 焊接壓力（70kHz） | 最高 50 N | |
接頭設計：能量導向器
超音波熔接非晶型塑膠時，通常需要在接合面設計能量導向器（Energy Director）—— 一個三角形或圓弧形的凸起結構，用於集中超音波能量、加速熔融過程。能量導向器的尖端會優先熔化，並在壓力下流動填滿整個接合面。
典型能量導向器高度為0.25-0.5mm，角度為60-90度。半結晶型材料則建議使用剪切接頭設計。
超音波熔接產業應用
醫療器材產業（超音波熔接主導市場）
超音波熔接在醫療產業具備清潔無污染、無黏合劑生物相容性、快速週期與可追溯性等優勢。RINCO提供ISO 13485認證版本，Branson GSX系列支援FDA 21 CFR Part 11合規。
透析過濾器
材料：PP、PS
氣密無污染要求
IV導管/注射器
材料：PE、PP
生物相容性需求
診斷卡匣
材料：PS、PMMA
微流道焊接深度<0.1mm
CPAP面罩/加濕器
材料：PC、ABS
防漏密封
胰島素幫浦
材料：ABS、PC
穿戴式裝置應用
電子產品與汽車產業
手機/電子外殼
材料：ABS、PC
精密密封接合
電子連接器
材料：PA、PBT
精密小型接頭
遙控鑰匙外殼
材料：ABS
小型密封殼體
汽車儀表飾條
材料：ABS、PC
小型精密焊接
包裝與紡織產業
泡殼包裝密封
材料：PVC、PET
保護熱敏感產品
糖果/食品包裝
材料：PP膜
高速密封
不織布接合
處理速度可達 800 m/min
食品切割
起司、麵包、糖果
切口乾淨不變形（RINCO專業）
超音波熔接與振動熔接比較
超音波熔接與振動熔接是兩種互補的塑膠接合技術。尺寸是最關鍵的選擇因素：200mm是兩種技術的自然分界線。
| 比較項目 | 超音波熔接 | 振動熔接 |
|---|---|---|
| 工作頻率 | 15,000-70,000 Hz | 100-260 Hz |
| 振動方向 | 垂直上下 | 水平/側向往復 |
| 振幅範圍 | 0.025-0.125 mm | 0.35-4.0 mm |
| 適用零件尺寸 | 200mm以下 | 200mm以上，可達1500mm+ |
| 週期時間 | 0.1-3秒（最快） | 5-15秒 |
| 焊接強度 | 40-80%母材強度 | 70-100%母材強度 |
| 焊渣產生 | 極少 | 顯著（需焊渣槽設計） |
| 噪音程度 | 較小（高頻音） | 較大（需隔音罩） |
| 接頭設計 | 需能量導向器 | 平面對接、舌槽 |
| 非晶型材料適用性 | 優異 | 優異 |
| 半結晶材料適用性 | 困難（需特殊處理） | 優異 |
| 設備成本 | 較低（$15,000-$80,000） | 較高（$80,000-$250,000+） |
選擇超音波熔接的情況
✓ 零件尺寸小於200mm
✓ 需要最快週期時間（0.1-1秒）
✓ 高產量生產線（醫療、包裝）
✓ 精密零件或含敏感內部元件
✓ 非晶型材料（ABS、PC、PMMA）
✓ 無塵室或醫療級環境要求
✓ 資本投資有限
選擇振動熔接的情況
✓ 零件尺寸大於200mm
✓ 不規則或複雜平面接縫
✓ 需要高焊接強度（80-100%母材）
✓ 半結晶材料需要高強度焊接
✓ 大型零件的氣密/防漏要求
✓ 儀表板、進氣歧管等大型組件
新佳城科技超音波熔接服務
設備銷售
瑞士RINCO全系列超音波熔接機與切割設備，提供原廠技術支援
模治具製作
客製化焊頭、治具設計與製作，Branson熔接用治具
其他超音波設備
手持式熔接機
適合小型零件點焊、修補與實驗室應用，機動性高、操作便利。
超音波切割設備
食品切割、紡織裁切、塑膠薄膜切割，切口整齊無變形。RINCO專業應用。
自動化專用設備
整合至產線的客製化自動化解決方案，提升生產效率與一致性。
