淺談超聲波焊接塑料件的設(shè)計

1、超聲波焊接塑料件的設(shè)計代注塑方式能有效提供比較完美的焊接用塑膠件。光我們決定用超聲波焊接技術(shù)完成熔合時，塑料件的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須首先考慮如下幾點(diǎn)：1 焊縫的大?。匆紤]所需強(qiáng)度）2 是否需要水密、氣密3 是否需要完美的外觀4 避免塑料熔化或合成物的溢出5 是否適合焊頭加工要求焊接質(zhì)量可能通過下幾點(diǎn)的控制來獲得：1 材質(zhì)2 塑料件的結(jié)構(gòu)3 焊接線的位置和設(shè)計4 焊接面的大小5 上下表面的位置和松緊度6 焊頭與塑料件的妝觸面7 順暢的焊接路徑8 底模的支持為了獲得完美的、可重復(fù)的熔焊方式，必須遵循三個主要設(shè)計方向：1 最初接觸的兩個表面必須小，以便將所需能量集中，并盡量減少所需要的總能量（即焊接時間

2、）來完成熔接。2 找到適合的固定和對齊的方法，如塑料件的接插孔、臺階或齒口之類。3 圍繞著連接界面的焊接面必須是統(tǒng)一而且相聯(lián)系互緊密接觸的。如果可能的話，接觸面盡量在同一個平面上，這樣可使能量轉(zhuǎn)換時保持一致。下面就對塑料件設(shè)計中的要點(diǎn)進(jìn)行分類舉例說明：整體塑料件的結(jié)構(gòu)1.1 塑料件的結(jié)構(gòu)塑料件必須有一定的剛性及足夠的壁厚，太薄的壁厚有一定的危險性，超聲波焊接時是需要加壓的，一般氣壓為 2-6kgf/cm2 。所以塑料件必須保證在加壓情況下基本不變形。1.2 罐狀或箱形塑料等，在其接觸焊頭的表面會引起共振而形成一些集中的能量聚集點(diǎn)，從而產(chǎn)生燒傷、穿孔的情況（如圖 1 所示），在設(shè)計時可以罐狀頂部

3、做如下考慮 1 加厚塑料件 2 增加加強(qiáng)筋 3 焊頭中間位置避空1.3 尖角如果一個注塑出來的零件出現(xiàn)應(yīng)力非常集中的情況，比如尖角位，在超聲波的作用下會產(chǎn)生折裂、融化。這種情況可考慮在尖角位加R 角。如圖2 所示。1.4 塑料件的附屬物注塑件內(nèi)部或外部表面附帶的突出或細(xì)小件會因超聲波振動產(chǎn)生影響而斷裂或脫落，例如固定梢等（如圖3 所示）。通過以下設(shè)計可盡可能減小或消除這種問題： 1 在附屬物與主體相交的地方加一個大的R 角，或加加強(qiáng)筋。 2 增加附屬物的厚度或直徑。1.5 塑料件孔和間隙如被焊頭接觸的零件有孔或其它開口，則在超聲波傳遞過程中會產(chǎn)生干擾和衰減（如圖4 所示），根據(jù)材料類型（尤其是

4、半晶體材料）和孔大小，在開口的下端會直接出現(xiàn)少量焊接或完全熔不到的情況，因此要盡量預(yù)以避免。1.6 塑料件中薄而彎曲的傳遞結(jié)構(gòu)被焊頭接觸的塑件的形狀中，如果有薄而彎曲的結(jié)構(gòu)，而且需要用來傳達(dá)室遞超聲波能量的時候，特別對于半晶體材料，超聲波震動很難傳遞到加工面（如圖5 所示），對這種設(shè)計應(yīng)盡量避免。1.7 近距離和遠(yuǎn)距離焊接近距離焊接指被焊接位距離焊頭接觸位在 6mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)距離焊接則大于 6mm ，超聲波焊接中的能量在塑料件傳遞時會被衰減地傳遞。衰減在低硬底塑料里也較厲害，因此，設(shè)計時要特別注意要讓足夠的能量傳到加工區(qū)域。遠(yuǎn)距離焊接，對硬膠（如PS ，ABS ， AS ，PMMA ）等比較適

5、合，一些半晶體塑料（如POM ，PETP ， PBTB ，PA ）通過合適的形狀設(shè)計也可用于遠(yuǎn)距離焊接。1.8 塑料件焊頭接觸面的設(shè)計注塑件可以設(shè)計成任何形狀，但是超聲波焊頭并不能隨意制作。形狀、長短均可能影響焊頭頻率、振幅等參數(shù)。焊頭的設(shè)計需要有一個基準(zhǔn)面，即按照其工作頻率決定的基準(zhǔn)頻率面?；鶞?zhǔn)頻率面一般占到焊頭表面的 70% 以上的面積，所以，注塑件表面的突超等形狀最好小于整個塑料面的 30% 。一滑、圓弧過渡的塑料件表面，則比標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬，且突出位盡量位于塑料件的中部或?qū)ΨQ設(shè)計。塑料件焊頭接觸面至少大于熔接面，且盡量對正焊接位，過小的焊頭接觸面（如圖變形，以及不理想的熔接效果。6 所

6、示），會引起較大損傷和在焊頭表面有損傷紋，或其形狀與塑料件配合有少許差異的情況下，焊接時，會在塑料件表面留下傷痕。避免方法是：在焊頭與塑料件表面之間墊薄膜（例如PE 膜等）。焊接線的設(shè)計2 焊接線的設(shè)計焊接線是超聲波直接作用熔化的部分，其基本的兩種設(shè)計方式： 1 能量導(dǎo)向 2 剪切設(shè)計2.1 能量導(dǎo)向能量導(dǎo)向是一種典型的在將被子焊接的一個面注塑出突超三角形柱，能量導(dǎo)向的基本功能是：集中能量，使其快速軟化和熔化接觸面。能量導(dǎo)向允許快速焊接，同時獲得最大的力度，在這種導(dǎo)向中，其材料大部分流向接觸面，能量導(dǎo)向是非晶態(tài)材料中最常用的方法。能量導(dǎo)向柱的大小和位置取決于如下幾點(diǎn)： 1 材料 2 塑料件結(jié)構(gòu)

7、 3 使用要求圖 7 所示為能量導(dǎo)向柱的典型尺寸，當(dāng)使用較易焊接的材料，如聚苯乙烯等硬度高、熔點(diǎn)低的材料時，建議高度最低為 0.25mm 。當(dāng)材料為半晶體材料或高溫混合樹脂時（如聚乙碳），則高度至少要為 0.5mm ，當(dāng)用能量導(dǎo)向來焊接半晶體樹脂時（如乙縮荃、尼龍），最大的連接力主要從能量柱的底盤寬帶度來獲得。沒有規(guī)則說明能量導(dǎo)向應(yīng)做在塑料件哪一面，特殊情況要通過實驗來確定，當(dāng)兩個塑料件材質(zhì)，強(qiáng)度不同時，能量導(dǎo)向一般設(shè)置在熔點(diǎn)高和強(qiáng)度低的一面。根據(jù)塑料件要求（例如水密、氣密性、強(qiáng)度等），能量導(dǎo)向設(shè)計可以組合、分段設(shè)計，例如：只是需要一定的強(qiáng)度的情況下，分段能量導(dǎo)向經(jīng)常采用（例如手機(jī)電池等），如

8、圖8 所示。2.2 能量導(dǎo)向設(shè)計中對位方式的設(shè)計上下塑料件在焊接過程中都要保證對位準(zhǔn)確，限位高度一般不低于1mm ，上下塑料平行檢動位必須很小，一般小于 0.05mm ，基本的能量導(dǎo)向可合并為連接設(shè)計，而不是簡單的對接，包括對位方式，采用能量導(dǎo)向的不同連接設(shè)計的例子包括以下幾種：插銷定位：圖9 所示為基本的插銷定位方式，插銷定位中應(yīng)保證插銷件的強(qiáng)度，防此超聲波震斷。臺階定位：圖 10 所示為基本的臺階定位方式，如 h 大于焊線的高度，則會在塑料件外部形成一條裝飾線，一般裝飾線的大小為 0.25mm 左右，創(chuàng)出更吸引人的外觀，而兩個零件之間的差異就不易發(fā)現(xiàn)。圖 11 所示臺階定位，則可能產(chǎn)生外溢

9、料。圖12 所示臺階定位，則可能產(chǎn)生內(nèi)溢料。圖13 所示臺階定位為雙面定位，可防止內(nèi)外溢料。 1 企口定位： 如圖 14 所示，采用這種設(shè)計的好處是防止內(nèi)外溢料，并提供校準(zhǔn)， 材料容易有加強(qiáng)密封性的獲得，但這種方法要求保證凸出零件的斜位縫隙，因此使零件更難能可貴于注塑，同時，減小于焊接面，強(qiáng)度不如直接完全對接。 2 底模定痊：如圖 15 所示，采用這種設(shè)計，塑料件的設(shè)計變得簡單，但對底模要求高，通常會引致塑料件的平行移位，同時底模固定太緊會影響生產(chǎn)效果。 3 焊頭加底模定位：如圖 16 所示，采用這種設(shè)計一般用于特殊情況，并不實用及常用。 4 其它情況：A ：如圖 17 所示，為大型塑料件可用

10、的一種方式，應(yīng)注意的是下支撐模具必須支撐住凸緣，上塑料件凸緣必須接觸焊頭，上塑料件的上表面離凸緣不能太遠(yuǎn)，如必要情況下，可采用多焊頭結(jié)構(gòu)。B ：如連接中采用能量導(dǎo)向，且將兩個焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整個焊接的質(zhì)量和力度，通常磨砂深度是 0.07mm-0.15mm 。C：在焊接不易熔接的樹脂或不規(guī)則形狀時，為了獲得密封效果，則有必要插入一個密封圈，如圖18 所示，需要注意的是密封圈只壓在焊接末端。圖19 所示為薄壁零件的焊接，比如熱成形的硬紙板（帶塑料涂層），與一個塑料蓋的焊接。2.3 剪切式設(shè)計在半晶體塑料（如尼龍、乙縮醛、聚丙烯、聚乙烯和熱塑聚脂）的熔接中，采用能量導(dǎo)向的

11、連接設(shè)計也許達(dá)不到理想的效果， 這是因為半晶體的樹脂會很快從固態(tài)轉(zhuǎn)變成融化狀態(tài)， 或者說從融化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。 而且是經(jīng)過一個相對狹窄的溫度范圍，從能量導(dǎo)向柱流出的融化物在還沒與相接界面融合時，又將很快再固化。因此，在這種情況下，只要幾何原理允許，我們推薦使用剪切連接的結(jié)構(gòu)。采用剪切連接的設(shè)計，首先是熔化小的和最初觸的區(qū)域來完成焊接，然后當(dāng)零件嵌入到下起時，繼續(xù)沿著其垂直壁，用受控的接觸面來融化。如圖 20 所示，這樣可能性獲得強(qiáng)勁結(jié)構(gòu)或很好的密封效果，因為界面的熔化區(qū)域不會讓周圍的空氣進(jìn)來。由于此原因，剪切連接尤其對半晶體樹脂非常有用。剪切連接的熔接深度是可以調(diào)節(jié)的，深度不同所獲得的強(qiáng)度不同，熔接深度一般建議為0.8-1.5mm ，當(dāng)塑件壁厚及較厚及強(qiáng)度要求高時，熔接深度建議為1.25X 壁厚。圖 21 所示為幾種基本的剪切式結(jié)構(gòu)：剪切連接要求一個塑料壁面有足夠強(qiáng)度能支持及防止焊接中的偏差，有需要時，底模的支撐高于焊接位，提供輔助的支撐。下表所示為零件大小尺寸和接觸面、零件誤差的大概尺寸：零件最大尺寸接觸面尺寸零件尺寸允許誤差 18mm0.2mm-0.3mm±0.025mm18mm-35mm0.3mm-0.4mm