超聲波焊接塑料件和焊接線設(shè)計

超聲波焊接塑料件和焊接線設(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：
  1 焊縫的大小（即要考慮所需強度）
  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）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、臺階或企口之類。
  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，從而產(chǎn)生燒傷、穿孔的情況（如圖1所示），在設(shè)計時可以罐狀頂部做如下考慮
○1 加厚塑料件
○2 增加加強筋
○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。基準(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6所示），會引起較大損傷和變形，以及不理想的熔接效果。
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：
○1 材料
○2 塑料件結(jié)構(gòu)
○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)，強度不同時，能量導(dǎo)向一般設(shè)置在熔點高和強度低的一面。
根據(jù)塑料件要求（例如水密、氣密性、強度等），能量導(dǎo)向設(shè)計可以組合、分段設(shè)計，例如：只是需要一定的強度的情況下，分段能量導(dǎo)向經(jīng)常采用（例如手機電池等），如圖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
  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±0.05mm＞35mm0.4mm-0.6mm±0.075mm
當(dāng)零件尺寸大于90mm時，或零件有不規(guī)則的形狀時，建議不采用剪切連接。這時因為注塑時很難控制誤差及變形使其保持一致。如果是上述情況，建議采用能量導(dǎo)向的形式。
圖22所示為雙面剪切式設(shè)計
圖23所示為扣式焊線設(shè)計，用于高強度，但上下塑料件不接觸的情況下，在特殊情況下，可用于增加密封圈的情況

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