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超音波焊接在背光源塑膠件中的應用 中文摘要 摘要 本文在簡介液晶顯示原理、背光源作用及燈管壓條結構的基礎上， 分析了燈管壓條的現(xiàn)有加工工藝及其缺陷，提出了背光源塑膠件的超音 波焊接課題。 針對塑膠件超音波焊接，介紹了超音波焊接的發(fā)展現(xiàn)狀、應用領域 及焊接形式，分析了不同種類塑料的超音波焊接的可焊性，并根據粘彈 性力學的原理及超音波塑料焊接的簡化模型，由塑料的復模量導出了塑 膠超音波焊接過程中的能量形式轉換的公式。 分析了超音波焊接界面的設計原則及其對焊接質量的影響，對燈管 壓條的原有結構進行了相應的設計變更，在燈管壓條的白色反光片上設 計了三條導能肋，在燈管壓條黑色基體的相應位置設置了三條焊接槽； 根據超音波焊接機理確定了導能肋焊接槽的形狀及尺寸，并通過實驗驗 證了焊接界面設計的可行性和合理性。 介紹了本課題實際使用的超音波焊接機的結構、操作規(guī)程及加工準 備要求；分析了焊接時間、焊接壓力和焊接保壓時間三個參數(shù)的影響， 并根據前述的超音波焊接機理及其能量轉換公式，確定了上述三參數(shù)的 合理取值區(qū)間。 對背光源塑膠件進行了超音波焊接試生產，分析并解決了試生產中 出現(xiàn)的問題；目前，超音波焊接背光源塑膠件已成功量產，獲得了合格 率提高、產能提升、設備費用節(jié)省的良好效果。 關鍵字：超音波；焊接；塑膠件；液晶顯示器；燈管壓條 作者：惠艷萍 指導老師：錢志良 英文摘要超膏波焊接在背光源塑膠件中的應用 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l ya n a l y z et h ee x is t i n gl a m pb l o c kp r o c e s sa n di t s s h o r t c o m i n g sb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l eo fl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ，t h er o l eo fb a c k l i g h ta n ds t r u c t u r eo fl a m pb l o c k a n df u r t h e rp u t f o r w a r dt h es u b j e c to fu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g f o ru l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t o fu l t r a s o n i cw e l d i n g ，a p p l i c a t i o na r e a sa n dw e l d i n gf o r m s i ta n a l y z e st h e u l t r a s o n i cs o l d e r a b i l i t yo fd i f f e r e n tt y p e so fp l a s t i c sa sw e l l f u r t h e rm o r e t h et h e o r yo fe n e r g yc o n v e r s i o nf o ru l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n gi ss t u d i e da n d t h ee n e r g yc o n v e r s i o nf o r m u l ai si n f e r r e do nt h eb a s i so fv i s c o e l a s t i c m e c h a n i c st h e o r ya n ds i m p l i f i e dm o d e lo fu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g t h el a m pb l o c kn e e d st om a k es o m ed e s i g nc h a n g ea f t e rt h ea n a l y s i so f t h ed e s i g np r i n c i p l e so fu l t r a s o n i cw e l d i n gi n t e r f a c ea n dw e l d i n gq u a l i t y i n f l u e n c i n gf a c t o r s t h r e er i b sw h i c hc a ng u i d ee n e r g ya r el a i do nt h ew h i t e r e f l e c t o rs h e e t ；a c c o r d i n g l y t h r e eg r o o v e sa r ed e s i g n e do nt h eb l a c kp a r t w ef u r t h e rd e c i d et h ef i g u r ea n dd i m e n s i o no ft h er i b sa n dg r o o v e so nt h e b a s i so fu l t r a s o n i cw e l d i n gp r i n c i p l e 。a n di t sf e a s i b i l i t ya n ds u i t a b i l i t ya r e v e r i f i e db yt h ew e l d i n ge x p e r i m e n t i nt h i sa r t i c l e - t h ew e l d i n gm a c h i n es t r u c t u r e 、o p e r a t i o ni n s t r u c t i o n a n dp r o c e s s p r e p a r a t i o n i t e m sw h i c ha r eu t i l i z e df o rt h et o p i ca r e i n t r o d u c e d t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a ta l lo fw e l d i n gt i m e 、w e l d i n g p r e s s u r ea n dk e e pt i m eh a v ei n f l u e n c eo nt h ew e l d i n gq u a l i t y a n dt h et h r e e p a r a m e t e r s a r ed e f i n e dt h er a n g eb yt h eu l t r a s o n i cw e l d i n gt h e o r ya n d e n e r g yc o n v e r s i o nf o r m u l af i g u r e do u ti np r e v i o u sc h a p t e r t h eb a c k l i g h tp l a s t i cp a r t sh a v eh a dat r yr u no nt h ew e l d i n gm a c h i n e a n dt h ep r o b l e m sf o u n dd u r i n gt h et r yr u nh a v eb e e na n a l y z e da n ds o l v e d t i l ln o w ，t h eu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n gp r o c e s sh a v e s u c c e e di nm a s s p r o d u c t i o nt o o i th a sb r o u g h tag r e a tb e n e f i t s 。s u c ha sb e t t e ry i e l d 、h ig h e r c a p a c i t ya n dl o w e rc o s to fe q u i p m e n t s k e yw o r d s lu l t r a s o n i c ，p l a s t i cw e l d i n g ，l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ，l a m p b l o c k w r i t t e n b y ：y a n p i n gh u i s u p e r v i s e db y ：z h i l i a n gq i a n 蘇州大學學位論文獨創(chuàng)性聲明及使用授權的聲明 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進 行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含 其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不含為獲得蘇州大學 或其它教育機構的學位證書而使用過的材料。對本文的研究作出重要貢 獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人承擔本聲明的法律 責任。 研究生簽名： 蹇主綹日期：2 ：z ：竺 學位論文使用授權聲明 蘇州大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館、清華大學論文 合作部、中國社科院文獻信息情報中心有權保留本人所送交學位論文的 復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本 人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文 外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分 內容。論文的公布( 包括刊登) 授權蘇州大學學位辦辦理。 期：鯊z ：篁：必 期：衛(wèi)緝班 超昔被焊接在背光彈塑膠件中的應用 第一章緒論 第一章緒論 1 1 液晶顯示及塑件應用 與傳統(tǒng)的c r t 對比，液晶電視有重量輕，體積小，耗能少，低噪音， 高清晰度等優(yōu)點，并且伴隨著技術成熟，成本降低，價格日趨平民化， 產品應用日益廣泛。 液晶電視的制造帶動了一系列周邊產業(yè)的發(fā)展，如光學元件，薄膜 產品，鈑金模具，塑膠產業(yè)等。本課題的背景，就是針對液晶電視顯示 囂中應用的塑膠產品的二次加工工藝的改善，進行專案研究。 1 1 1 液晶顯示的發(fā)展 在液晶電視機已經蓬勃發(fā)展的今天，“液晶”已經是一項非常具有“歷 史”的科學發(fā)現(xiàn)，i8 8 8 年，奧地利植物學者弗萊契萊尼茲( f r i e dr i c h r e i n i t z e r ) 在膽固醇研究中發(fā)現(xiàn)了液晶現(xiàn)象，l9 6 0 年代，美國正式進行液 晶顯示研究，19 7 0 年代，日本推出了第一臺采用液晶顯示技術的計算機， 此后，很多國家開始進入液晶顯示的研究與制造領域。 目前，c r t 顯示器己逐步淘汰，液晶電視( l c dt v ) 的需求正在穩(wěn) 步上升。液晶電視外觀如圖1 - 1 所示，包括液晶顯示屏、外殼、支架、 音箱及相關電訊號接口等，其中液晶顯示屏是液晶電視最主要的器件， 對液晶顯示屏的分析研究顯得尤為重要。 墾姍 圖1 - 1 頓晶電視 1 1 2 液晶( l c d ) 顯示屏的結構 圖1 2 為液晶( l c d ) 顯示屏的功能結構圖，從左到右依次為上偏光片、 上玻璃、彩色濾光片、上電極、液晶層、t f t a r a y 、下玻璃、下偏光片 和背光源。 液晶顯示是通過玻璃上制作t f t 等線路，使用電訊號來控制液晶分 子的扭轉方向及角度，從而控制光的通過，得到電訊號傳遞的畫面。液 晶是被動發(fā)光元件，本身并不發(fā)光，需要背光源提供光才能實現(xiàn)顯示。 * 緯論嗇濁焊接在背光源脞件中們m 用 圈i 2 液晶顯示屏的功能結構圖 罔卜3 是實盼、澉品電視模組的結構炸開圖。由圖可見，液晶顯示模 自【豐要m 以f 六部分組成：鐵框( f r o n tb e z e l ) 、液晶面板組( l c d c e l l ) 、背光源模組( b a c kl i g h tu n i t ，簡稱b l u ) 、p c b 電蹄板遮蔽盞 ( c o n t r o ls h i e l d i n g ) p c b 電路扳( c o n t r o lp c b ) 螺釘。 圈l 3 瘦晶顯示橫鮞結構炸開幽 1 1 3 液晶電視的背光源 由于液晶不會主動發(fā)光需要背光源提供光源才能顯示畫面，所以， 背光源橫組是液晶電視必型組成部分。 圈1 4 為液晶電視背光源的示意圖。由圖1 4 ( a ) 可見背光源是 個 組合體，其組合方式是；在金屬底板的基礎上，放入燈管若干支，四邊 超音被焊掛在背光塑膠件中的應用 一章緒論 是黑色塑膠框，左右側膠框側邊部分會使用白色的高反射塑料反射燈管 的光線，如圖1 4 ( b ) 所示，左、右側黑色塑膠與白色高反射塑膠的結合 件稱為“燈管壓條”。圖1 - 4 ( c ) 為背光源剖視圖，左、右側紅色為反射光線 需要的燈管壓條，燈管上部覆蓋擴散板及若干光學膜片，起到霧化燈管 影子、提升正面亮度的作用，| 三【獲得液晶電視所需要的背光源亮度和霧 度。 若十光學膜 fc 1目管 圖1 - 4 背光源模組示意圖 1 1 4 塑膠件在背光源中的應用 擴散板 圖15 塑膠制作的p c b 電路板遮蔽板 隨著近幾年液晶顯示的快速發(fā)展與普及，受強烈的成本降低、產品 大型化和輕薄化的需求刺激，很多零件在可靠度允許的情況下，更多地 采用塑膠元件。比如用于保護p c b 電路扳用的遮蔽蓋，在t f t l c d 制 一3 - 第章緒論增被焊接在荷光姆塑脞件中的m 用 造壩域內三、五年前普遍使用金屬不銹鋼材料或者鋁制品，但是在降 低成本及輕游需求驅使下近兩年來逐漸由金屬件改為塑膠件使用p c 加玻璃纖維的原料進行射出成型，用作p c b 電路板的遮蔽扳，如圖1 5 所示，微果理想同時成本降低，并進一步堿輕產品重量。 塑料元件在液晶顯示器內已經變得非常普遍和重要，背光源模組中 塑膠攝大的應用是黑色塑膠框鼓燈管壓條，川于起固定光學膜片井支撐 液晶玻璃砸 板的作用。如圖i 6 所示，兩條短邊是燈管壓條，兩條長邊 為塑膠框。 削1 6 塑膠梃及州瞥壓條 在t f t l c d 制造領域內，在對塑膠制品的原料及特性進行持續(xù)關注 及改進的同時，對于制作方法、結構議計、質量及成本的綜合改進也h 益被重視。本文主要是針對燈管壓條的二次加工技術改進，即塑膠件的 二次加 一方法進行研究。 1 2 本課題的研究背景 本課題來源于液晶顯示器背光源內部塑膠件的制造方式改造項目 潑技術已經由友達光電有限公司申請相關專利，井己取得某些應用上的 專利權。 一 圖】7 燈管壓條 2 音被焊接在背光镕塑肢件中m 用# 一章緒論 在背光源內部會有高反射率的白色塑膠件，用于支撐內部構件及反 光，如燈管支撐架、燈管壓條。在塑膠件中，燈管壓條因為內側有反射 光線的需求，所以其內側材料為白色高反射材料，外側為黑色塑料( 圖 1 7 所示) 。在制造這種結構的燈管壓條過程中，需要對黑、白兩塑料件 進行二次接合加工。 1 2 1 現(xiàn)有的接合方式及其缺點 目前，燈管壓條使用的接臺方式，主要有以下幾種】： a 反射片背面滁脧后貼附于燈管槊上、即人工貼臺，如圖1 8 所示。 此種方法的缺點是貼合加工成本高，需要花費額外的人力；且貼合對位 不易，容易貼附偏移，影響質量；膠失效的風險會導致反射片脫落，增 加額外的產品質量風險。基于上述原因，此加工方式己經逐步被淘汰。 b 同一模具中先射出黑色腰框再射出白色反射片，即雙色射出成彤， 如圖1 9 。此種方法受以下缺點制約應用較少射出成形周期長，產能比 較低；模具結構復雜，開模時間長，模具費用也非常高：另外需要有取 色射出的專用機臺，購買該設備費用非常高，目前的廠商擁有這種設各 的較少。 積色射出成形還有一個最重要的問題：量產中射出成形的臺格率僅 約85 9 0 ，遠低于一般射出成形臺格率水準，造成單位成本較高，不 利于產品成本的降低。 圖1 - 8 人工貼臺圖圖1 9 積色射出 c 先射出白色反射片再放置到膠框模具中作二次成形，即模內加工射 出成形，如圖1 一lo 。目前，燈管壓條制造廠商普遍采用這種方法，但其 同樣有一些缺點：首先，射出成形周期較妊，模具結構復雜費用高；其 次因為要先射出成形白色反射片，再將白反射片放置到膠框模具中，射出 成形黑框部分，將白反射片包附成形，所以存在白色反射片放置到膠框 模具中時定位困難，需耗費較長的反射片放置操作時間，影響產品的生 產效率，若白色反射片未準確定位的情況下模具就臺模，還可能出現(xiàn)夾 模的生產故障。 5 第一章鼎論超嗇城焊接在背光楫地腔件中的應川 d 使用全白色具有反射功能的p c 塑料直接射出成形如圖1 - 1 1 所 示。這種方法的最大缺點是會導致整組腔框成本升高( 約3 0 ) ，其原因 之一是白色高反射p c 原料的價格較高，另外還需要制作整組的黑色腔框 來進行遮光故使用該結構不符合降低成本的發(fā)展趨勢。 圈1 1 0 模內加工射出成形圈 1 2 2 燈管壓條加工的改進方向 基于上述的一些問題在液晶電視顯示屏制造領域內，持續(xù)尋求一 種技術的改進與突破可以較好地平衡質量、產量及成本等受求。 改善方向一：更改目前的塑料制品的二次加工方式，超音波焊接是 值得嘗試的一種技術雖然以前從未在背光源塑料制品上采用超音波焊 接技術但作為一種加工技術已經發(fā)腮得比較成批，有很多專業(yè)的廠商 可以提供技術支持； 改善方向二：在燈管壓條有反射光線婪求的地方噴涂高反射的白色 涂層。但該材料必須滿足光線反射率9 5 以上，抗u v 黃化的能力強， 且要滿足目前高反射p c 所達到的阻燃等級其成分要符合歐盟r o h s 的最新環(huán)保指令目前需要時間才能找到臺適的材料另外還要進行新 材料和新制程的整套性實驗認證，包括從未用過的涂布方法過程會相 當長。 基于上進因素，針對改善方向一進行深入研究和實驗，可行性好且 容易獲得比較理想的改進成果。 1 3 塑料及超音波焊接 1 3 1 塑料制品的發(fā)晨 隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料已經成為許多領域必不可少的材料，用 具有重量輕、摩擦阻力小、導熱導電性能低等卓越優(yōu)點的塑料及其復臺 材料取代金屬材料制作結構件已經成為趨勢。塑料及其復合材料制成的 零件成產品已廣泛應用于電氣工業(yè)、建筑、航天航空、汽車、玩具、日 常用品、醫(yī)學、工業(yè)設備辱行業(yè)如；在汽車制造中，目前每輛汽車平 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用第一章緒論 均要使用lo o 公斤以上的塑料，而且塑料用量還在逐年增加；在人造衛(wèi) 星和宇宙飛船中，塑料占其總體機構的一半1 2 】。如今，塑料的應用普及 程度已非常高，塑料已成為推動社會生產力發(fā)展的重要材料。 在現(xiàn)代生活中，液晶顯示器正在迅速普及，如懸掛在客廳墻上的電 視，放置在公共場合的觸摸屏，自助式柜員機，導航設備的顯示屏幕等， 同時，因液晶顯示器輕薄價廉的需求，其內部的金屬材料用量日趨下降， 塑料用量越來越大。 塑料可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料同熱固 性塑料相比，具有韌性好、易加工、高溫性能好、耐一般化學溶劑溶解、 壽命長且可重復使用等一系列優(yōu)點【3 】。先進的熱塑性復合材料已經在各 行各業(yè)中廣泛應用，且有越來越廣闊的應用前景。在液晶顯示器背光源 中的塑膠制品主要使用的是高反射的p c 原料，以及黑色的p c 摻玻璃纖 維混合原料，主要應用于塑膠框及燈管壓條。 由于大多數(shù)塑料制品都是模制品，其尺寸及結構復雜程度受到模具 的尺寸和結構的制約，對于大型復雜的熱塑性塑料零件，最經濟有效的 生產方法通常是先注塑出若干個尺寸較小的零件，再把多個零件連接在 一起，因此出現(xiàn)了各種各樣的塑料件連接方法，即二次加工方法。塑料 件的快速和可靠連接方法已成為探尋與研究的熱點。 工程上常用的熱塑性塑料及其復合材料的連接方法主要有粘接、熔 接和焊接。塑料的焊接方法又有熱氣焊、熱板焊、振動焊和超音波焊等 多種，而且一些新的焊接方法正在快速發(fā)展中，如微波焊接1 4 】、紅外線 焊接【5 1 、激光焊接【6 】和利用聚焦的太陽能進行焊接1 7 - 9 】等。其中超音波焊 接以焊接效率高、熱輸出量能夠精確控制、通常不需要填充焊料、易于 實現(xiàn)自動化以及焊接質量好等優(yōu)點，成為熱塑性塑料及其復合材料的理 想連接方法【l0 1 。薄膜電晶體液晶顯示屏制造廠商友達光電首先嘗試了將 超音波焊接應用于背光源模組的塑料件生產，并實現(xiàn)了成功量產。 1 3 2 塑料超音波焊接的發(fā)展 塑料超音波焊接技術于l9 5 6 年由美國瓊斯等人提出，在上世紀6 0 年代，美國、瑞士、日本、英國、西德以及蘇聯(lián)等國便開始研究這種焊 接技術并開始投入實際應用。因為塑料的焊接需要較大的功率，而且直 至近二、三十多年塑料才大量應用于實際工程和日常生活，所以只是近 十幾年來，隨著基礎電子工業(yè)的發(fā)展以及大功率換能器的研制成功，超 音波塑料焊接才逐漸發(fā)展起來【i l q3 1 。 7 第一牽緒論超音波焊接在背光源漿膠件中的應用 超聲波塑料焊接，也稱超音波塑膠熔接，臺灣地區(qū)多采用“超音波”、 “熔接”和“塑膠”的說法，大陸地區(qū)多稱“超聲波 、“焊接”和“塑料”，其表 達含義相同，本文采用“塑膠超音波焊接”的說法 超音波焊接裝置是機電一體化的焊接裝置，主要由超音波發(fā)生器、 控制電路系統(tǒng)、聲能系統(tǒng)( 換能器、變幅桿、焊頭) 以及傳動系統(tǒng)等組成， 結構如圖1 1l 所示1 1 。 超產波攝 頭及焊曩 被焊捌搴i 搏具底座 。r 。 盧舉系統(tǒng) 圈l - 11 超膏波焊接機器結構 超音波發(fā)生器將5 0 h z 的工頻電流轉化成( 2 0 5 0 ) k h z 或其他頻率的 超音頻電流，用以激勵聲學系統(tǒng)l 聲學系統(tǒng)將電能轉化成同頻率的機械振 動，然后經過振動系統(tǒng)變幅桿及焊頭將振幅放大到l5 6 0 u r n 通常在壓力 的作用下，經過0 5 1 5s 的焊接時間后塑膠件的焊縫處得到超音頻的機 械能超音振動導致焊接表面凹凸交變變形，這種微觀不平通過塑膠分子 間的摩擦將振動轉化為熱能，并熔化這些凹凸點，使之流動并形成一定厚 度的融化層，經過一定的保壓時間，熔化層形成焊接接頭 15 - 1 6 】 塑膠超音波焊接適合焊接熱塑性塑料，該材料在熱的作用下可產生 塑性變形，并可經過較短時間的冷卻重新恢復固態(tài)熱固性塑料工件不 會因高溫和壓力的作用而產生變形所以無法進行超音波焊接熱塑性 塑料的焊接最初采用的是高頻塑料焊接( h f ) 方法，此種方法速度、功率 均能令人滿意但是因為可焊性的原因，聚丙烯等多種材料并不適合采 用此種方法1 1 7 】 為了適應各種性質不同、形式不同的材料，塑膠超音波焊接機的功 率從幾百瓦到幾十千瓦，換能器和變幅桿的形狀結構也各不相同，研究 的方法也各有千秋【l s l 超音波焊接的種類分為點焊、環(huán)焊、縫焊及線焊，也可以按照焊頭 接觸面到接頭的距離分為遠程焊和近程焊近程焊是指塑件接口部分與 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用第一章緒論 電極臂端部的距離在6 m m 以內，超過此距離的焊接稱為遠程焊接【l9 1 。非 結晶性硬質塑料，如p v c 、p s 、a b s 和p m m a 等，通常對超音波能量具 有良好的透射率，高頻振動能經過較長的距離傳輸?shù)浇涌趨^(qū)域，使材料 發(fā)熱熔化，互相滲透而牢固結合，因此這些材料在近程或遠程均具有良 好的焊接性能。而半結晶性塑料具有較強的消聲作用，高頻振動在p a ( 尼 龍) 、p p ( 聚丙烯) 、p e ( 聚乙烯) 和p o m ( 聚甲醛) 等半結晶性塑料中傳輸 時，超音波能量衰減很快，因此半結晶性塑料只適合于近程焊接。彈性 及軟質塑料具有更強的吸音作用，對它們進行超音波焊接不是很有效。 由于塑膠超音波焊接應用的范圍不斷擴展，為了解決許多聲發(fā)射特 性較差的材料的焊接問題，許多新型的振動模式得到了發(fā)展，如扭曲【2 0 1 、 橫向、縱向橫向、扭曲縱向、扭曲橫向等振動模式 2 1 - 26 1 。 日本學者j i r o m a r u 和t s u j i n o 等設計了一種復雜的塑膠超音波焊接系 統(tǒng)，它由一個9 0 k h z 的振動系統(tǒng)和一個2 7 k h z 的振動系統(tǒng)組成，而這兩 個系統(tǒng)又有三種組合方式。他們認為使用高于2 7 k h z 或4 0 k h z 的超音波 頻率時，因為超音波振動可以被材料更多的吸收，所以得到較高的焊接 質量 2 7 2 8 。 本課題研究燈管壓條表面白色反光片與黑色襯底框架的結合面的粘 合問題，所需的超音波能量較小，公司和臺灣廠商“一源超音波機械股份 有限公司”合作開發(fā)，由廠商“一源”按照焊接需求設計并提供焊接機臺供 實驗使用。 1 3 3 塑膠超音波焊接的優(yōu)點 圖1 12 為塑膠超音波焊接示意圖，使用超音波焊接具有如下優(yōu)點： 黿 源 圖1 12 超音波焊接示意圖 9 - 第一竄螭論超音波焊接在背光源塑j j 文件中的應用 a 超音波熱熔只作用于接合界面，無需擔心待焊品其他部分的變形、 變質及尺寸偏差等問題； b 接合界面若有水等異物存在，熔接過程中會自動震開： c 熔接時間短，作業(yè)簡易，生產效率高。 d 意外的收獲是t 因為老鼠怕高頻音波，作業(yè)空間無鼠干擾 進行超音波焊接技術改進燈管壓條的制作，節(jié)省工時經初步評估 可以提高5 0 的產能，提升廠商備料的靈活性預計成本可以按照實際 合格率不同而有不同程度的降低，并且能以現(xiàn)有的射出機臺搭配專用焊 接機臺【2 9 】實現(xiàn)燈管壓條的高效生產 綜合以上優(yōu)點，分析得出t 超音波焊接技術導入背光源塑膠件生產 是可行的 1 4 本課題的研究內容 本課題的研究內容是， 1 ) 在介紹t f t l c d 液晶電視內部結構、背光源內部塑膠件的結構 及作用的基礎上，分析并討論了背光源內部塑膠件現(xiàn)有加工工藝的缺陷， 提出了塑膠件超音波焊接的解決方案 2 ) 基于熱傳導的基本理論和粘彈性動力學導出了接頭處在超音波 作用下的應力響應公式、以及單位時間內單位體積的平均耗散能量，為 后續(xù)的背光源內部塑膠件的超音波焊接提供了理論依據 3 ) 探討超音波焊接技術的原理及焊接形式，針對超音波焊接界面設 計原則和注意事項，對背光源塑膠件的結構進行設計變更 4 ) 進行背光源塑膠件焊接的準備工作，并進行塑膠件焊接的實驗驗 證根據實驗結果，確定了切實可行的焊接工藝，獲得了質量合格的焊 接塑膠件，并已實際量產，取得了良好的效果 1 5 本章小結 本章主要介紹了液晶電視和背光源內部塑膠件的結構。針對塑膠件 結構及其在背光源內的作用、以及目前制作塑膠件燈管壓條過程中遇到 的問題，提出了采用超音波焊接技術的改進方案 簡要介紹了超音波焊接的發(fā)展情況及優(yōu)點，分析了超音波焊接用于 燈管壓條二次加工的可行性，并給出了本課題的主要研究內容 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用第二章塑膠件超音波焊接 第二章塑膠件超音波焊接 2 1 超音波焊接技術 2 1 1 超音波的定義 超音波是指高于人類聽覺所能接受頻率范圍的音波，人類聽覺能力 在2 0 h z , - 一2 0 k h z 之間：因此一般來說，凡是頻率高于2 0 k h z 以上的音 波就稱為超音波。但在工業(yè)應用中，為了適應特殊的工藝需求，音波頻 率有低于10 k h z 的( 如超音波烘干機) 、15 k h z 的( 如塑膠超音波焊接 機) ，這些習慣上也稱為超音波。超音波的頻率上限通常是l0 0 k h z 以內， 但在非破壞用的醫(yī)療檢查系統(tǒng)中也有高達5 0 0 0 k h z 的?？偠灾?，工業(yè) 上通常把能產生和利用在各種不同介質中傳導，隨著各種不同介質的特 性差別產生各種不同功能與效用的波動，統(tǒng)稱為超音波。 2 。1 2 塑膠超音波焊接原理與特點 最初塑膠件的接合加工方法是使用強力膠或其它溶劑進行粘合，但 使用這種方法，產品不合格率較高、產品美觀度低，且會影響操作人員 的身體健康。超音波技術的發(fā)展及應用，為塑膠件的接合加工提供了更 好的解決方案。 超音波焊接的原理：將音波籍焊模( h o r n ) 傳遞到塑膠加工物上， 以每秒15 30 k h z ，振幅為4 5 u m 左右的振動，再經過固定的增幅桿 和可換增幅工具頭放大，在兩片塑膠件接合面上產生2 0 - , 30 u m 左右的高 頻振動。這樣在金屬工具焊頭的端面瞬時最大速度可達4 m s ，這種高頻 捶擊作用到塑膠表面上，在應力高的地方發(fā)生強烈的摩擦熱，使界面熔 化了的塑膠粘接在一起，從而實現(xiàn)焊接。常用的塑膠超音波焊接機的功 率在10 0 w 2 0 0 0 k w ，頻率為15 3 0 k h z 。 超音波焊接的特點： ( a ) 焊接速度快，效率高，通常只需0 5 2 s ( b ) 焊接質量好，接合強度高 ( c ) 無需加焊劑或溶劑，焊縫無污染，表面美觀 ( d ) 氣密、水密性好，可進行壓力容器的密封焊接； ( e ) 不會有高頻焊接時發(fā)生火花的危險，安全性好； ( f ) 超音波焊接屬于機械振動方式，手觸及到金屬焊頭不會出現(xiàn)生命 1 1 第二竄數(shù)兒史件超音波焊接 超膏波焊接在背光源塑股件中的應用 危險 ( g ) 設備結構簡單，操作容易，維修方便 2 1 3 超音波焊接常用功能 超音波焊接不僅可以用于塑膠件的接合，還可用于將金屬件埋插于 塑膠件內、在固定金屬或塑膠件上連接塑膠件、塑膠包覆、塑膠板點焊、 塑膠射出品的切除、塑膠袋的封口及切邊等 ( a ) 超音波焊接t 以超音波超高頻率振動的焊頭( h o r n ) ，在適度的 壓力下使兩塊塑膠件的接合面產生磨擦熱而瞬間熔融接合，并可達到完 全水密及氣密的效果 ( b ) 超音波鉚接將超音波超高頻率的焊頭壓著塑膠品突出的梢頭。 使其瞬間發(fā)熱熔融成為鉚釘形狀，使金屬物件被鉚覆而固定 ( c ) 超音波埋植t 以超音波超高頻率的音波振動，借著焊頭的傳導及 適當?shù)膲毫λ查g將金屬零件( 如螺母、螺桿) 等擠入預留的塑膠孔內， 并固定在設定深度完成后無論拉力、扭力均可娥美傳統(tǒng)在模具內成型 的強度，并可免除射出受損及射出緩慢的缺點 ( d ) 超音波點焊，兩片塑膠板要熔接時，因限于熔接物的條件，無法 開設導熔線可用點焊熔接其原理是將超音波傳導至焊頭前端，從上 板穿越至下板，從而達到熔接的效果并可同時點焊數(shù)十件，提高工作 效率 ( c ) 超音波切除t 以超音波高速振動的焊頭切除射出成形的塑膠件鋒 銳的毛邊，切除射入口，使塑膠原件在瞬間脫離射出流道，不但省去人 工切除的工序，并且塑件光滑美觀適用于超音波切除的材質有a b s 、 p s 、壓克力、p c 、塑鋼籌，太軟或富有彈性的塑膠不適合超音波切除 塑膠料剛射出還未冷卻時超音波切除效果也不佳 ( f ) 超音波成形t 與超音波鉚接類似，將凹狀的焊頭壓著于塑膠品外 圈通過焊頭的高頻率振動使塑膠熔融并包覆金屬物件，使其固定，并 且成形件外觀光滑美觀，多使用于電子類、喇叭的固定成形及化妝品類 的鏡片固定等 本文只涉及利用超音波焊接實現(xiàn)塑膠件和塑膠件的接合 2 2 塑料的分類和可焊性 塑膠材料的分類及其應用范圍見表2 - 1 實驗表明，塑膠材料的可焊性g 主要取決于材料對超音振動的衰減 1 2 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用第二章塑膠件超音波焊接 能力及材料的彈性模量e 、熔化溫度t 、密度p 、比熱c 、摩擦系數(shù)、 導熱率a 等，可用下式表示： g ：k 竺旦蘭( w m 2 k )( 2 1 ) p 。c t 式中：k 一焊件形狀因子，取決于焊件的壁厚、尺寸大小及焊頭的形狀尺 寸( 是變化的參數(shù)) e 一材料的彈性模量( g n m 2 ) 一材料的摩擦系數(shù) a 一材料的導熱率( w m k ) p 一材料的密度( k g m 2 ) c 一材料的比熱( j k g k ) f 一材料的熔點( k ) 表2 1 塑料材料的分類及應用 材料類別名稱 英文簡稱主要應用 聚苯乙烯p s玩具、文具、日用品 玩具、日用品、收音機殼、 高沖擊聚苯乙烯 h l p s 電視機殼 電器用品外殼、日用品外 硬塑料丙烯晴丁二烯苯乙烯 a b s 殼、高級玩具、運動用品 ( 聚苯乙烯) 食具、日用品、透明裝飾 苯乙烯丙烯晴共聚物 s a n 品 貨品包裝、絕緣板、裝飾 發(fā)泡聚苯乙烯 e p s 板 包裝袋、購物袋、玩具、 低密度聚乙烯 l d p e 瓶、花、電線 軟塑料包裝袋、購物袋、水桶、 高密度聚乙烯h d p e ( 聚乙烯)電線、玩具 鞋底、吹氣玩具制品、包 乙烯醋酸乙烯共聚物 e v a 裝袋 p p 包裝袋、玩具、日用品、 聚丙烯 p p ( 聚丙烯) 類瓶子、洗衣機 p v c 聚氯乙烯原樹脂 p v c 軟管、硬管、窗框、地板 ( 聚氯乙烯) 類聚氯乙烯糊狀樹脂 p p r 人造皮革、洋娃娃 1 3 第二章塑膠件超音波焊接 超膏波焊接在背光源塑膠件中的應用 裹2 1 ( 續(xù)) 透明板、裝飾品、太陽鏡 聚丙烯酸樹脂聚甲基丙烯酸脂 p m m a 片、文具、燈罩、人造曹 飾 聚甲醛樹脂 聚縮酸類p o m 玩具齒輪、滑輪、彈簧 聚氧化甲烯樹脂 拉絲、牙刷毛、齒輪、 尼龍類聚酰胺p a 電器配件、電動工具外 殼、運動用品 汽水軟瓶、錄音帶、磁 聚對苯二甲酸乙二醇脂 p e t 帶 聚醣類 聚對苯二甲酸乙丁醇脂p b t 機械部件、電器部件 裝飾品、游艇外殼、汽 不飽和酸脂 u p 車外殼 醋酸纖維素 c a 丙酸纖維素 c p 眼鏡框、工具手柄、雨 纖維素 醋酸丙酸纖維素 c a p 傘柄、靛飾品、文具 醋酸丁酸纖維素c a b 電動工具外殼、電器外 p c 類聚碳酸醣p c 殼、安全頭盔、防彈玻 璃 鞋底、椅墊、人造革、 p u 類聚氨基甲酸脂p u 油漆 環(huán)氧樹脂 環(huán)氟樹脂 e p 工模具材料、建筑材料 聚四氟乙烯 f e p 易沽護襲層、i 1 8 2 層、保 氟塑料氟化乙烯丙烯f e p 護劑、潤滑劑、耐熱部 聚六氟丙烯f e p件 硅橡膠聚硅酮橡膠 導電塑料、耐熱部件 酚醛樹脂酚醛樹脂p f 燈頭、電器外殼、齒輪 餐具、裝飾品、電器配 氨基樹脂 三聚氰胺甲醇樹脂 m f 件及外殼 尿醛樹脂 尿甲醛 u f 餐具、裝飾品 在通常情況下，用超音波焊接異種材料比較困難，這是因為不同材 1 4 - 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用第二章塑膠件超音波焊接 料的熔點、分子結構不同，阻礙了材料之間的相互滲透。例如，聚碳酸 酯和尼龍焊，在界面上都熔化了，卻不會相互粘合，但也有成功的焊例， 如a b c 同丙烯晴、a bs 和p v c c ( 樹脂) 。 表2 2 為塑料材料的可焊性比較【30 1 。 表2 2 塑料材料的可焊性性能比較 直接焊傳遞焊 材料名稱注釋 ( 近焊) ( 遠焊) 聚苯乙烯晶體良好良好焊接性能很好，臨界距離i2 0 m m 焊接性能好，聲學性好，但能量過多時， 聚苯乙烯良好良好 工件易從中間裂開 比標準的聚苯乙烯要求更多的能量，臨 中沖擊聚苯乙烯良好好 界距離為3 0 m m 高沖擊聚苯乙烯好一般當有太多的丁二烯填充物時，效果較差 苯乙烯及 臨界距離4 0 m m 極好好 苯烯晴共聚物 丙烯晴丁二烯- 苯 與聚苯乙烯性能相近 極好好 乙烯( a b s ) 高沖擊a b s丁二烯使材料具有吸附性，焊頭易在支 困難不能 及防火級a b s承面上造成壓痕 注塑丙烯晴極好 一般 要求大的平焊頭，以免陷入工件 耐沖擊丙烯晴 好一般丁二烯填充性降低了可焊性 抗壓丙烯晴極壞極壞明顯出現(xiàn)損壞，不能焊 聚碳酸脂良好好要求一定的功率，臨界距離為2 0 m m 乙酰t 好一般 熔塑互相滲透，通過特定的設計焊線能 使焊縫致密防氣 尼龍好極好要求大的能量和特殊的接口。注塑或磁 化后立即焊 尼龍6 6極好 好 與尼龍不同，臨界距離10 m m ，硫化后 能改善焊合效果 玻璃填充尼龍極好一般需要很大的能量，接合非常牢固 聚丙烯 好一般 要求大功率，外形效果差，加玻璃填充 物能改善焊接性能 高密度聚乙烯好不能只限于板材、瓶、管等的焊接 - 1 5 第二章塑膠件翹膏波焊接超音波焊接在背光源塑膠件中的應用 表2 2 ( 續(xù)) l 低密度聚乙烯好不能 聚乙烯鋁聚丙烯好不能可連續(xù)焊接 p p o好 有限 要求功率較大。臨界距離lo m m 聚氯乙烯好一般硬p v c 效果好 高彈性聚氯乙烯好不能只限于鉗子的焊接 2 3 塑膠超音波焊接形式 根據被焊材料的特性和零件的形狀大小以及焊線的部位等，焊接方 式可分為兩種，即近焊( 或稱直接焊) 和遠焊( 或稱傳遞焊) 2 3 1 近焊( 直接焊) 所謂近焊是指焊頭距離焊合面較近，如圖2 1a 所示這種方法適宜 于超音波傳遞性不好的材料，如尼龍、聚丙烯、醋酸纖維等由于這些 材料剛性小。傳遞超音波的能力弱，音波振幅衰減很快，因此，焊頭應 離焊合面近些 ( b )( b ) 超音波能量 - - - 圖2 近焊和遠焊示意圖 近焊要求焊頭的形狀同焊合界面的形狀相適應這種方法已經成功 地應用于自動包裝、自動制袋等表3 為軟質塑料的焊接工藝參數(shù)1 30 1 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用 第二章塑膠件超音波焊接 表2 3 軟質塑料的焊接工藝參數(shù) 材料厚度壓力封口速度封口強度 ( m m ) ( n )( m m i l 1 ) 氯乙烯 o 0 319 6 2 9 42 0 良 聚乙烯 o 0 319 6 - 2 9 42 0 可 聚丙烯0 0 3 19 6 2 9 42 5 優(yōu) 聚乙烯醇o 0 3 19 6 2 9 42 0 優(yōu) 聚脂0 0 22 9 4 3 9 2 15 良 尼龍 o 0 22 9 4 3 9 22 0 良 聚賽璐玢 o 0 52 9 4 3 9 22 0 良 合成纖維 0 0 52 9 4 3 9 22 0 良 尼龍布 o 1o4 9 01o可 備注焊機功率：7 0 w ，頻率：2 8 k h z ，振幅3 0 - 3 5 _ o n 上述材料用于各種制袋、果醬、辣椒油、醬油等的包裝。 2 3 2 遠焊( 傳遞焊) 在用超音波焊接硬質塑料時，超音振動能量通過材料傳遞到遠離焊 頭端面的焊合面處，使材料發(fā)熱熔化互相滲透、凝固而實現(xiàn)牢固結合。 這種方法稱為遠焊，見圖2 ( b ) 表4 為遠焊的適用性和技術特性。 表2 - 4 塑料的遠焊特性比較 遠焊特性 材料 性能說明適宜性工藝性精加工性結合強度 聚苯乙烯最適宜遠焊，傳遞距好好好 好 離遠 耐沖擊聚脂橡膠含量為3 0 左右 好好較好好 為宜 丙烯晴苯乙烯傳遞距離比聚苯乙烯較好較好好好 短，結合力大 聚丙烯傳遞距離在5 m m 左右，較差一般較差較好 陵合面有大的突出 1 7 第二章塑膠件超音波焊接超音波焊接在背光源魈膠件中的應用 襲2 4 ( 續(xù)) l a b s ( 丙烯晴傳遞距離要短。應根據較好較好好較好 丁二烯苯乙嵌含部位的形狀和產生 烯) 摩擦的情況調整焊接壓 力 聚碳酸脂要求有足夠的能量，傳較好較好較好好 遞距離要短。焊頭端面 振幅要大 聚縮醛比聚碳酸脂困難要有較好較好較好好 充足的能量和大的振 幅，且傳遞距離盡量短 丙烯樹脂與焊頭接觸部分會膨一般一般一般一般 脹，因此形狀應精心 設計遁于小型件焊接 聚氯乙烯傳遞距離在5 m m 左右，一般一般一般較好 ( 硬質)與焊頭接觸部分有軟化 的傾向 醋酸纖維素與焊頭接觸部分軟化傾較差較差較楚較差 向大。接合面突出大， 用于結合強度不大和焊 后精加工件 氟化乙烯叉氯傳遞距離在5 r a m 以內較差一般較楚較好 時，可作結含面焊。但 注意與焊頭接觸面會發(fā) 生軟化 聚乙烯比聚丙烯可焊性差較差較差 較差較差 尼龍與焊頭接觸面處會發(fā)生較差較差 較楚 較差 較大變化 遠焊要求固定金屬焊頭的端面輸出頻率為2 0 k h z 左右，所以，振動 器應采用頻率自動跟蹤方式，以保持端面振幅不低于l0 p r o 金屬焊頭的 截面形狀設計，要求有適宜的形式變化，以便獲得更大( 15 4 0 9 i n ) 的 振幅，滿足焊接要求 為使被焊產品的表面不留任何壓痕，金屬焊頭的端面要加工成鏡面 超音波焊接在背光源塑膠件中的應用 第二章塑膠件超音波焊接 另外，焊接過程中，金屬焊頭表面會產生污垢，焊頭本身也會磨損，影 響使用壽命。 遠焊工藝的成敗取決于材料對超音波振動的衰減情況，對于聚丙烯、 丙烯晴丁二烯一苯乙烯( a b s ) 、苯乙烯( s a n ) 等材料焊接效果很好， 因為，它們的剛性和彈性都很好。同樣，對于應用于液晶顯示器內部背 光源的聚碳酸酯( p c ) 及其摻雜物，一樣屬于硬塑料，同樣有較好的遠焊 性能。 但是遠焊工藝有明顯的“臨界距離”要求，超出臨界距離，對同種材 料也很難焊接。 2 4 超音波焊接能量轉換的機理 在超音波焊接過程中，接頭處能量的轉換主要是指由超音波的機械 能轉換成使塑料熔合的熱能，這種能量變化直接影響到結合面處溫度的 變化，影響到接頭的質量。 由于超音波焊接過程的復雜性，有關焊接過程的研究還很不充分， 關于其焊接機理也有多種解釋。目前，關于塑膠超音波焊接熔合機理主 要有以下兩種觀點： 1 ) 摩擦振動機制。認為當超音波作用于兩焊件時，塑料質點會被超 音波激發(fā)而引起連續(xù)交替的受壓和解壓，以至焊件接觸表面因振動而產 生摩擦，振動頻率就是超音波的頻率。此時，機械功轉化為熱，使焊件 表面的溫度升高直至熔化，最終形成焊接接頭。 2 ) 應力應變儲能及轉換機制。認為塑料是粘彈性體，超音波在其中 傳播時，引起塑料質點的應力應變不同相，從而引起能量損耗，轉化成 熱使焊件表面熔化形成接頭。 2 5 能量轉換模型及其計算 基于塑膠性能、結構以及分子組成的特殊性，大多數(shù)學者傾向于應 力應變的儲能轉換機理。下面利用粘彈性動力學理論，通過求解物體在 交變應力作用下所產生的應力響應來進行理論計算。 當彈性體受到正( 余) 弦波變化的應力( 應變) 作用時，應變( 應力) 與應力( 應變) 同相地作正(