超聲波原理及其應(yīng)用介紹課件

超聲波塑膠熔接原理及應(yīng)用

UltrasonicWelding製作﹕lilie12/16/202211.熔接原理2﹒熔接設(shè)備3﹒熔接特點4﹒影響因素A.塑膠材質(zhì)B.塑膠件的加工條件C.振幅/時間/壓力D.導(dǎo)能點/接面的設(shè)計E.HORN的設(shè)計/材質(zhì)5﹒問題診斷6﹒其它應(yīng)用概述12/16/20222熔接原理

基本原理:

利用電子發(fā)生器產(chǎn)生高頻高壓電信號，通過換能器系統(tǒng)使電信號轉(zhuǎn)換為高頻機械振動。超聲波熔接是在塑膠組件上，通過高速熱摩擦，令塑膠熔合。按其方式可分為直接與傳導(dǎo)兩種熔接方法。

直接熔接：

即先使用材質(zhì)如線或帶相互重疊，固定于塑膠熔接機之類具上，讓其能量轉(zhuǎn)換器（HORN）直接在上面產(chǎn)生音波振動效能而熔接。

傳導(dǎo)熔接：即熔接時，高超聲波振動，隔一段距離籍其音波振動傳導(dǎo)熔接。

12/16/20223熔接設(shè)備

超聲波熔接裝置是通過一個電晶體功能設(shè)備將當(dāng)前(220v,50Hz)的電頻電能轉(zhuǎn)變成高頻電能，供應(yīng)給轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換用于超聲波的機械振動能，調(diào)壓裝置負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)變后的機械能至超聲波焊接機的焊頭。焊頭是將機械振動能直接傳輸至需壓合產(chǎn)品的一種聲學(xué)裝置！振動通過焊接工作件傳給粘合面振動磨擦產(chǎn)生熱能使塑膠熔化，振動會在熔融狀態(tài)物質(zhì)到達其介面時停止，短暫保持壓力可以使熔化物在粘合面固化時產(chǎn)生個強分子鍵，整個周期通常是不到一秒種便完成，但是其焊接強度卻接近是一塊連著的材料!12/16/20225熔接設(shè)備12/16/20226熔接特點

A、

可熔接除鐵氟龍之外的熱可塑性塑膠；

B、

熔接時間極為短暫，通常范圍（0.05-1秒）；

C、

可經(jīng)由介質(zhì)如水、油等熔接于接合面；

D、

熔接效果可達氣密、液密封效果；

E、

可做直接與傳導(dǎo)熔接；

F、

熔接能量因塑膠材質(zhì)而異，而且并非超聲波振動全部材質(zhì)，只選擇適合發(fā)生的振動面生熱，所以產(chǎn)品表面無傷痕之顧慮，此為傳導(dǎo)容接的特色，在較硬的塑膠質(zhì)熔接時﹐更能發(fā)揮其熔接效果；

G、

超聲波熔接不會產(chǎn)生如化學(xué)藥劑的毒性，為一安全的熔接加工；

H、

無須添加任何粘劑，操作簡單快捷。

12/16/20227影響因素A.塑膠材質(zhì)（一）超聲波在塑膠件中傳播﹐塑膠件或多或少對超聲波能量有吸收和衰減﹐從而對超聲波加工效果產(chǎn)生一定影響﹒塑料一般有非晶體材料之分﹐按硬度有硬膠和軟膠之分﹐還有模數(shù)的區(qū)分﹐通俗的來講﹐硬度高&低熔點的塑膠料超聲加工性能優(yōu)于硬度低&高熔點的塑料﹒因此﹐這就牽涉到超聲波加工距離的遠(yuǎn)近問題﹒12/16/20228影響因素A.塑膠材質(zhì)（三）12/16/202210影響因素B.塑膠件的加工條件（二）4.

保存期﹕塑膠件注塑加工出來后﹐一般至少放置24小時后,再進行熔接﹐以消除塑膠件本身的應(yīng)力和變形等因素.5.再生塑料﹕再生塑料的強度比較差﹐別對超聲波熔接適應(yīng)性比較差﹐所以如用再生塑料﹐間各種在設(shè)計尺寸均要酌情加以考慮﹒6.

脫模劑和雜質(zhì)﹕脫模劑和雜質(zhì)對超音波熔接有一定的影響﹒雖然超聲波加工時可將加工表面的熔劑﹑雜質(zhì)等震開﹐在有些情況下﹐先清洗塑膠件是必要的﹒12/16/202212影響因素C.振幅/時間/壓力（二）

超聲焊接摩擦所需能量可由下式表示：E=μf∫PAdt

μ-摩擦系數(shù)；P-焊頭上所加的垂直壓力A-焊頭的振幅；f-超聲振動頻率；t-焊接時間。因此﹐有3個基本過程變量：振幅(能量)A、壓力(力)p和時間T1﹒摩擦系數(shù)是由焊接材料與焊頭和焊件與表面狀態(tài)、焊件夾持的方法等有關(guān)，可以視為常數(shù)﹒2﹒一旦焊接頭變幅桿的幾何尺寸已定，則固有的共振頻率即確定﹒12/16/202214影響因素C.振幅/時間/壓力（三）－接頭熱合強度與振幅的關(guān)系

在適宜的焊接振幅范圍內(nèi)（5μm～7μm）聚酯/聚丙烯復(fù)合薄膜的焊接接頭熱合強度高，當(dāng)復(fù)合薄膜選用損耗模量較大的聚乙烯作為內(nèi)層材料時，焊接振幅對焊接接頭熱合強度的影響作用減小。12/16/202215影響因素接頭熱合強度與焊接時間的關(guān)系

C.振幅/時間/壓力（四）－隨著焊接時間的延長，兩種復(fù)合薄膜焊接接頭的熱合強度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)復(fù)合薄膜達到最大的焊接接頭熱合強度時，低熔點的聚乙烯基復(fù)合薄膜所需時間比聚丙烯基復(fù)合薄膜短。12/16/202216影響因素C.振幅/時間/壓力（五）－

接頭熱合強度與焊接壓力的關(guān)系

當(dāng)焊接壓力約為150N時，兩種復(fù)合薄膜的焊接接頭熱合強度均達到最大值

12/16/202217影響因素D.導(dǎo)能點/接面的設(shè)計（一）1﹒必需為一縮小的接觸面﹐以利音波高能量之集中﹐達到快速鎔接的效果﹒2﹒固定部分之被熔接物﹐需有足夠的支撐面﹐以便另一部分相對的自由振動來達到摩擦生熱而熔接﹒3﹒要預(yù)留足夠的空間﹐讓熔解的才料流通以防外溢﹐而破壞美觀﹒4﹒Horn與熔接物之接觸面積﹐需僅可能大及平坦以防傷到表面﹒5﹒兩熔接物的接面﹐不能過于緊密﹐而是一吻合松弛的接面﹒12/16/202218影響因素塑膠種類一般熔接之導(dǎo)熔線0.3mm一般熔接之導(dǎo)熔線0.5mm備註水密或氣密之導(dǎo)熔線0.5mm水密或氣密之導(dǎo)熔線0.8mm

PS高密度PEAS耐隆ABSPP壓克力PMMA塑鋼諾里路PC硬質(zhì)PVCP.B.T(非結(jié)晶性組織)(結(jié)晶性組織)0.5-0.8mm0.3-0.5mm高度D.導(dǎo)能點的設(shè)計（三）12/16/202220影響因素

E﹒HORN的設(shè)計/材質(zhì)（一）

焊頭(HORN)使用材質(zhì)略述如下:鋁鈦合金(2014、2024、7075、6061T6)

2014、2024:一般使用於HORN製造,韌性佳、熱傳導(dǎo)性強,硬度適中,用於一般熔接塑膠製品。

7075:一般使用於振動系統(tǒng)及HORN製造,硬度高、熱傳導(dǎo)性強,韌性比2024次之。

12/16/202221影響因素A.Horn曲率／熱傳導(dǎo)／材料密度／表面處理B.塑膠製品材質(zhì)C.製品尺寸是否定型D.產(chǎn)品正式裝配方法E.熔接後抗拉力標(biāo)準(zhǔn)F.熔接後受壓力標(biāo)準(zhǔn)G.成品檢驗方式H.是否水密或氣密I.熔接後外觀標(biāo)準(zhǔn)J.使用超音波機型與出力K.使用頻率規(guī)格E﹒HORN的設(shè)計/材質(zhì)（三）12/16/202223問題診斷?傷痕（斷、震裂、燙傷）．

解析﹕

因機臺功率或HORN（上模）輸出能量不足，在能量轉(zhuǎn)換為熱能時，需用長時間熔接來累積熱，以彌補輸出功率的不足，此種方式不是在瞬間達到振動熱能，而需靠熔接時間來累積熱能﹐使塑膠產(chǎn)品之熔點達到成為熔接效果﹐如此將造成熔接時間停留在產(chǎn)品表面太長，其累積的溫度與壓力將造成產(chǎn)品的燙傷、震斷或裂痕，是以此時必須考慮功率輸出（段數(shù)），熔接時間、動態(tài)

壓力等配合因素。

12/16/202224問題診斷．超音波熔接強度不佳?

解析﹕1﹒超音波模治具架設(shè)不準(zhǔn)確、受力不平均2﹒超音波熔接條件配合不當(dāng)3﹒塑膠產(chǎn)品材質(zhì)配合不當(dāng)4﹒超音波機臺輸出能量不足12/16/202226問題診斷．超音波熔接強度不佳．

對策﹕1﹒調(diào)整超音波機本身的水平螺絲/調(diào)整治具來克服2﹒超音波作業(yè)的條件是指機臺的輸出功率（段數(shù)）、壓力（動態(tài)壓力與靜態(tài)壓力）熔接時間、硬化時間、延遲時間等諸元的設(shè)定。我們依超音波導(dǎo)熔線為例來說明。在我們實施超音波熔接時，如果壓力太大，氣缸下降緩衝太快，易把超音波導(dǎo)熔線壓平，雖然看似產(chǎn)品已經(jīng)密合，但因?qū)劬€，已經(jīng)受擠壓而下陷，失去了導(dǎo)熔效果，形成塑膠面與面的強迫熔接，而非三角形點的導(dǎo)引熔接，所以產(chǎn)生假象的熔接12/16/202227問題診斷．超音波熔接強度不佳．

對策﹕3﹒每一種塑膠材質(zhì)的熔點，各有不同，例如ＡＢＳ塑膠材質(zhì)的熔點約115℃，耐隆約175℃、ＰＣ之145℃以上、ＰＥ約85℃為例：ＡＢＳ與ＰＥ二種材質(zhì)的熔點差距太大，超音波熔接勢必困難。而ＡＢＳ與ＰＣ二種材質(zhì)，亦有差距，但已非前項差距如此之大，是以尚可熔接，但在超音波功率相同，能量擴大相同的情況下，相異的塑膠材質(zhì)，絕無法比相同材質(zhì)的熔接效果好。12/16/202228問題診斷?品質(zhì)無法穩(wěn)定．

解析：

品質(zhì)無法穩(wěn)定最主要因素是輸出功率不能穩(wěn)定，以導(dǎo)致無法形成穩(wěn)定的摩擦熱能。而如何讓功率輸出穩(wěn)定？此乃決定於:〈壹〉機臺輸出功率；〈貳〉HORN擴大比；〈參〉氣壓源；〈肆〉電壓源等四項。

12/16/202230問題診斷?品質(zhì)無法穩(wěn)定．

對策：1.熟悉超音波熔接設(shè)備；2.決定產(chǎn)品功能；3.熟悉超音波與塑膠熔接對應(yīng)關(guān)係；4.儘可能增添穩(wěn)壓設(shè)備。

12/16/202231問題診斷總是單邊燙傷怎麼辦？超音波振動熔接，並非單純直線縱向振動(還有撓曲與橫向振動論)，而是形成交叉式縱向下降振動，而上模超音波輸出端能量亦是有一定的強弱分佈點，氣壓、電壓、機臺雖決定功率輸出能量的穩(wěn)定性，但能量分佈點亦呈現(xiàn)比例性增減，如果發(fā)現(xiàn)超音波熔接時製品總是單點燙傷，即表示上模該點輸出能量與產(chǎn)品該點形成應(yīng)力對應(yīng)，此時若改變超音波振動面的接觸點，將可改善熱能集束產(chǎn)生的燙傷。12/16/202232其它應(yīng)用（一）超聲波鉚接(UltrasonicStaking)

將超音波超高頻率振動的焊頭,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,傳統(tǒng)上如欲作鉚接工作,大多用熱熔法,其缺點為既費時又不美觀,且傷害材質(zhì)產(chǎn)生脆化,減低其抗拉力及抗磨力,又因熱熔產(chǎn)生有害之氣體,影響作業(yè)者之健康,如使用超音波鉚接即無上述之缺點12/16/202233其它應(yīng)用（二）超音波埋植(UltrasonicInserting)

以超音波高頻率之音波振動,藉著焊頭之傳導(dǎo)及適當(dāng)壓力,瞬間將金屬零件(如螺母、螺桿等)擠入預(yù)留之塑膠孔內(nèi),並固定在一定深度完成後無論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)在模具內(nèi)成型之強度,並可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。一般孔與柱之比例為0.3mm(孔較小),柱呈斜紋或溝槽狀以增加強度。12/16/202234其它應(yīng)用以超音波高速振動之焊頭切除射出成型之塑膠件鋒銳的毛邊,及切除射入口,使塑膠原件在瞬間脫離射出流道,不但省卻人工切除修整得手續(xù),而使塑膠件光滑美觀。適用於超音波切除之材質(zhì)有ABS、PS、壓克力(PMMA)、PC、塑鋼等,如太軟或富彈性之塑膠則不適合超音波切除。(塑膠料鋼射出時尚未冷卻前不適用)毛邊切除的成功與否決定於分流道之澆料口形狀,如右圖所示(三)超音波切除(UltrasonicCutting)12/16/202235其它應(yīng)用兩片塑膠欲熔接時,因限於熔接物之條件,無法開設(shè)