超声波焊接的机理是当两个焊接件的界面处的塑料一起达到熔融状态时，界面处的分子链将打开并相互缠绕。冷却后，将两个焊件焊接在一起。在室温下，分子链固定并限制在焊接件表面。随着超声波振动的传播，内摩擦和两个界面之间的摩擦产生热量。当温度达到材料的玻璃化转变温度时，分子键段开始移动。继续升温。当界面温度达到熔化温度时，材料软化，分子链变得自由，在焊接表面上相互扩散，界面两侧的分子链相互扩散到一定深度。最后，所有的分子链都将失去其原始状态，并相互渗透和扩散
热塑性塑料可分为非晶态塑料（非晶态塑料）和半晶态塑料。热塑性塑料对超声波的反应与它们是否完成有很大关系。非结晶塑料显示出更大的弹性，而结晶塑料显示出粘度。非晶态塑料（如ABS、聚苯Z、乙烯、聚碳酸酯等）的分子链是随机分布的。当非晶塑料加热到玻璃化转变温度以上时，分子键开始移动，扩散材料软化。
非结构塑料在固态下是刚性的，对超声波几乎没有耗散作用。因此，非结构塑料可用于近场焊接和远场焊接。由于非晶态塑料没有固定的熔点，可以在较宽的温度范围内熔化，因此在焊接过程中需要的能量较少。然而，非晶态材料的强度低于结晶塑料，这限制了其在结构上的应用。
一些半结晶塑料分子（如尼龙、聚乙烯、聚丙烯等）排列规则，具有较高的熔点和再冰点。在固态状态下，这些分子像弹簧一样吸收超声波的机械振动，而不是将超声波传输到焊接表面。当温度达到玻璃化转变温度时，半结晶塑料也会软化。当温度继续升高时，材料在温度达到熔点之前不会流动。因此，结构塑料的超声波焊接难度较大。
Benatar等人发现，非晶态和半晶态塑料都可以通过近场焊接成功焊接，但只有非晶态塑料可以通过远场焊接，而非晶态塑料的焊接。
强度也很高。在最高焊接温度下，焊接强度可达到最大值。最高焊接温度定义为不损害材料应用特性的最高温度。为了在不损坏材料性能的情况下获得高焊接强度，一般要求非晶态塑料的焊接温度不得超过玻璃化转变温度的75%，半晶态塑料的焊接温度不得超过熔点的75%。
在热塑性塑料中添加碳纤维通常可以提高材料的强度和刚度。由于碳纤维的密度较小，因此不会增加复合材料的密度。然而，高碳纤维含量的热塑性复合材料的导热性和电性能将得到改善。此外，碳纤维含量的增加不仅会减少焊接过程中的塑料熔化量，还会减少超声波后重新凝固的塑料量，从而影响材料的焊接质量。
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