超聲波焊接線的設計

塑料超聲波焊接線設計

一.前言

　　超聲波焊接技術是熱塑性塑料可采用的一種焊接工藝。由于超聲波焊接工藝對大批量生產(chǎn)具有加工速度快,可重復焊裝的特性而得到普及。只有嚴格按照超聲波焊接工藝和塑膠材料特性設計的超聲波焊接線,才能獲得強度和外觀均佳的焊接件。在此不介紹超聲波焊接原理,因有專著敘述。本文專門對焊接件的設計,特別是焊接連接部分即超聲波焊接線的設計作實踐性的介紹,操作者根據(jù)這些情況可避免產(chǎn)生焊接不良品。

　　焊接件設計者根據(jù)這些情況,一開始就要考慮采用超聲波焊接。這樣就可避免采用其他工藝而在加工時引起的麻頻。在設計注射模和出模時,就要開始要考慮到超聲波焊接工藝,避免最后因為工藝設計問題而去修改塑膠模具,這樣是很花錢的,有時因時間很緊甚至采用折中的辦法，這都是讓人很煩惱的事情。按照超聲波焊接技術的要求來設計產(chǎn)品,不僅要了解超聲波焊接工藝的知識,而且還要了解被加工材料的特性。以下所介紹的內(nèi)容,對焊縫設計是非常重要的。

二. 超聲波焊接工藝步驟

　　在超聲波焊接中,在壓力下,機械振動傳遞到塑件上。由分子間的摩採產(chǎn)生熱量,并使材料的阻尼率增加,則該區(qū)域的塑料就開始軟化。由于阻尼系數(shù)增加,該反作用力產(chǎn)生自激,只要增加部分振蕩能量就轉(zhuǎn)換成熱量。接口部分得好后,需要有一段冷卻時間,然后才可對產(chǎn)品進行再加工。超聲波焊接工藝是依靠振蕩體,包括轉(zhuǎn)換器、振幅變換元件和超聲波傳遞頭,超聲波傳遞頭是實際上的得接工具。   

圖1   超聲波振動系統(tǒng)的振動變形過程

                                            各種頻率超聲波焊接振幅推薦

三. 材料因素

　　硬質(zhì)非結晶體塑料,如PC,PS,SAN,ABS,和PMMA,都有很好的超聲波能量傳通特性, 超聲波振蕩在這些材料上可以通過很長距高,傳送到焊接點上 。半結品聚合物則對聲音有較高的衰減性,如PA,PP,PE和P0M這些材料。因此這些材料只能接近超聲波焊頭部分的區(qū)域才能焊牢。這兩組材料對能量的消耗也不同。非結晶熱塑性塑料焊接時沒有明顯的熔接痕跡。隨溫度升高,焊接區(qū)域在成為熔融狀態(tài)之前,先進入塑化狀態(tài) 。 對熱量以及超聲波能量的要求比較低(圖2) ,半結晶熱塑性塑料有明顯度熔接痕速和較高的熱量要求 。 在焊接時所需的振幅及超聲波能量比非結晶塑性塑料高.

　　其它 的同處是非結晶熱塑性塑料注射后可以立即進行焊接接再加工, 而半結品熱塑性塑料注射后至少要放置二十四小時, 以消除制件內(nèi)部應力 。 否則在塑料件焊接時, 其內(nèi)部應力會導致塑料件收縮變形。

　　　　　　圖2 焊接非結晶體和半結晶體材料的熱量消耗

  　 填充添加劑(例如:潤滑劑、增塑劑防燃劑、木粉,灰粉、玻璃纖維和云母之類的增強劑)會影焊接性能。因此在設計制件和確定焊接參數(shù)時,必須注意這些同題,并采用適當?shù)拇胧瑢庸ぶ萍患患M行試驗直至取得最佳結果為止。例如對聚酰酸(Poly mides),要注意其水份的含量。若水份含量高會引起超聲波衰減大,因此焊接性能也差。材料所含水份高,在焊接時還會冒出氣泡,這祥就不可能獲得緊密的焊接面。為了防止焊接制件的水份含量過高,要將注射以后立即放進PE塑料袋包起來。                         

　　若注塑件要采用超聲波焊接,設計注射模時要注意適應超聲波焊接工藝。否則加工后的制件會有以下缺點：                                                             

(1)零件尺寸和重量不穩(wěn)定;

(2)空腔表面有疵點和不均勻處;

(3)材料應力和其他加工缺陷。

　　尤其大型注塑件和多型腔模塑成形,或在不同的注塑條件下的尺寸公差,最會引起不正常焊接。不僅如此,注塑件在焊接部位的飛邊和制件被污染也都會影響焊接的質(zhì)量。在這種情況下,對注更件進行修整就顯得至關重要,必要時需用刀子對有關表面進行手工修整。

四.超聲波焊接設計要點

　　有許多基本頻率可作為設計超聲波參數(shù)指標時的參考。這樣可節(jié)省加工時間、能量和調(diào)換模具的成本。因此,設計者首先要確定焊接的方式,以下根據(jù)不同焊接要求介紹幾種焊接方式:  

(1)模塑件焊接;           

(2)鑲嵌焊接;

(3)點焊接;

(4)插套焊接;

(5)模塑板材和織物焊接;

(6)板材、薄片和織物焊接;

(7)鉚接焊接;

(8)凸緣連接焊接;

(9)埋入焊接。   

　　要根據(jù)產(chǎn)品最終要求來選擇連接方式。 這里包括, 如連接面負載承受強度、抗?jié)B液性能、外觀光學透明性能、 選免焊接焼損以及內(nèi)部塑料粉粒狀 。 這些需根據(jù)以下各項標準:

(1)連接面的位置、形式和能量傳遞方式;

(2) 焊接位置及頂部和基部側(cè)面的配合公差;

(3)超聲波傳遞頭的接觸方式;

(4)自由埋入距離;

(5)成形工具中的支座。

容易擊穿的位置，設計時應該避免

容易發(fā)生焊接斷裂的幾種錯誤設計

1.能量引導

　　能量引導對設計焊接接口很重要。它能確定連接區(qū)域,把能量有目的地傳向這些地方(圖3 )。因為能耗低, 零件只有較小的熱負載。 如果不在覇 能量引導, 就需增加焊接時間,且焊接范圍也不能確定

(參考圖3) 。焊接強度也會降低且不穩(wěn)定, 從而引起材料報廢 。

　　　接口形狀對超聲波焊接的影響

　能量引導要避免大面積接觸。 圖4所示給出了引導部分的形狀和尺寸設計 。 根據(jù)材料和零件尺寸的不同, 引導部分i的設計也不一樣。 圖4給出了非結品和半結晶材料的焊接鋼性值和機械損耗值。  

非結晶和半結晶塑料接口能量引導設計

幾種超聲波焊接線角度的設計

2.超聲波焊頭的接觸方式

　　對半結品塑料超聲波焊接時, 超聲波傳遞頭和焊接件接觸面積越大越好, 這樣才能確保壓力平均,補償模塑中的誤差,以改善振蕩體和換能器的振蕩波特性。、

超聲波焊接主要采用近距離要焊接(圖5)。只有在硬質(zhì)非結品體塑料時才采用長距離焊接。

　　　　遠距離焊接和近距離焊接

3.對接焊接

　　一般的端部接口上采用環(huán)形引導凸緣,也可以在環(huán)形引導角部斷開一節(jié)(圖6 )這樣可選免該區(qū)域材料集中,焊接時引起材料起泡。這個方法也可防止成形時材料碎裂和產(chǎn)生應力.同樣的原因,在有較長的焊縫處,在能量引導中最好有間斷,截面形狀可選錐形或凸鍵形。

          盡量避免熔接線直角過度

為了使對接焊接件對準中心,設計人員可選擇用模具或超聲波傳遞頭使焊接件兩個焊接面對準,這樣在焊接時就能有正確的導向(圖7左) 。另一種對準中心的方法是用銷釘插入圓孔中(圖7中) 。這些方法都有不需改動模具增加成本的優(yōu)點。

                超聲波熔接線設計

　　當焊接件的公差較大時,可用焊接件自身定位對準中心(圖7右) 。但這在焊接緊固零件和薄壁連接件時就會引起麻頻。根據(jù)材料性質(zhì),只有低強度無預裝配的焊接件才能采用該種方法。但采用這種方法后, 任何滲漏性材料都可改善其滲漏性。

四.階梯接口

　　階梯接口的焊接較容易,光學透明度好,強度和緊密度也較高(圖8) 。焊接件自身還可起對準作用 。 如階梯接口在剪切力和拉力作用點處效果更佳。 如果焊接口外表被一圏環(huán)形凸肩所覆蓋,那么由于焊接引起的不平整就會被掩蓋,且焊接處的光學性能也可改善(圖8中)

超聲波焊接線設計

超聲波焊接線設計

超聲波焊接線設計

超聲波焊接線設計

超聲波焊接線設計

超聲波焊接線設計

　　因為被焊接的塑件總有一定的公差, 所以必須避免焊接導向部分平面接觸 。 否則會引起無法預料的汽泡。當焊接面需要有較高尺寸精度時,外形上可增力間隔的凸鍵 (國8右) 。這種方法可使焊接件正確對準中心, 不會發(fā)生移動。即使有較大的間隙,不需要對工件進行修整,也可保證被焊接件在重復焊接時的整潔外觀 。

5.榫舌和凹槽焊接

　　榫舌和凹槽焊接(圖9 )能確保具有最大焊接強度。焊接時,表面張力使樺舌充滿凹糟間隙。這種焊接能自身對準中心, 力學性能也較好。 其不足之處是需有較高的配合精度和制件壁部較厚 。 解決的辦法是和階梯焊接一樣, 使用間隔凸鍵。

6.擠壓焊接

　　對POM、 PA這類結晶型熱塑性塑料焊接件的溫度,需在很小的范圍內(nèi)使材料從固態(tài)變到液態(tài),因此要設計一種特殊的接口。在此就不必采用能量引導,因焊接時材料向外濺出就無法控制。

　　擠壓焊接適宜極薄壁焊接(圖10)。采用擠壓焊接,一般都可獲得緊在的焊縫 。 對較大塑件的焊接也常采用斜面焊接接口(圖10右)。在此情況下,焊接時富;.,表面張力只朝上或朝下跑,兩焊接件不是大面積接觸。該設計能不足之處是不容易控知1l焊接件的算接公差,因此就需采用高能量的能量轉(zhuǎn)換器和較高的振幅能量。

7.對插焊接

　　對插焊接是擠壓焊接的一種派生形式。適用于細長圓形件的焊接，這樣可以避免產(chǎn)生不同的形狀的焊接口。

焊接時對插焊接的插口可起定位作用。一件插在另一件塑料下點或孔中(圖11),這樣就有很高的強度,無飛出材料。對插焊接所需焊接能量小,焊接時間短。

8.點焊         

　　在點焊中, 爆接件互相接蝕, 接縫線不需經(jīng)過預處理, 也不需要能量引導 。 超聲波傳遞頭頂端穿過上片焊接件進入下片焊接件, 使焊接件接觸部分的材料塑化(圖12) 。 移動自塑料向上流動并被固定在超聲波焊接頭上面環(huán)形凹槽圈內(nèi) 。

　　超聲波點焊工藝在大面積、熱成形、吹塑、擠塑制件的焊接中廣泛應用。它也適用于不同材質(zhì)的焊接。

9.片材和織物對制件的焊接

　　超聲渡焊接也能用于織物、塑料、金屬制成的網(wǎng)狀物和熱塑性塑料細件的焊接。不同的聚合物之間,聚合物和金屬之間的焊接都行。

　　采用能量引導或結構超聲波傳遞頭均可(圖13)。焊接時,塑化材料穿過網(wǎng)狀結構形成一個可靠的連接。得接金屬網(wǎng)狀物時要減小振幅。這點很重要,否則焊接時會造成網(wǎng)狀物位移太大而被掘壞。

10. 鑲嵌焊接

　　在某些情況下,需有可靠的密封。因此焊接時要用一個有彈性的密封球,例如 O形圈(圖14) 。 這樣, 在加工時必須確保不使有滲漏的材料進入凹槽。另外, 焊接件上的毛邊必須清除干凈。

11.片材、最表和観物的n最

　　焊接塑料復差片材和紙時, 超聲波能量穿過焊接件使焊接區(qū)材料塑化。通常在超聲波傳通頭對面必須有個支承面(圖15) 。超聲波傳遞頭表面必須加工,,成特殊結構,支承面的表面也如此。這種特殊結構可替代能量引導和提高焊接效果

12.超聲波鉚焊       

采用鉚焊方法, 可使熱塑性塑料制件和金屬材料或不可焊接的熱固性塑料

聚合物快速、 干凈地連接在一起。毋需另加固定,并可使用多工位加工。通過克服聚合物的彈性恢復, 可增加柳接強度 。 另一個優(yōu)點是小范圍的加工熱量由超聲波焊頭迅速擴散, 有效地控制了材料的熱過裁。

　　在多點鉚接時就能體現(xiàn)出超聲波鉚接的效率。 適當提高超聲波能量, 就可減少鉚接壓力和結小超聲波傳通頭接觸點面積 。 因此可以確保僅在鉚點頂端小部分發(fā)生塑化 (圖16) 在大面積接觸和高物接壓力之下,就可能使鉚釘體塑化,從根部處損壞。在這種情況下,會造成鉚接頭鉚接不良, 因此連接也是不可靠。 帶液壓控制的超聲波頭可確保焊接質(zhì)量, 它可使下壓速度保持恒定的速度,使焊接材料有足夠的成形時間而不會外濺。這種方法也可避免冷焊。

在此再介紹一種電子壓痕深度控制裝置。 該裝置可把焊接壓痕點高度控制在o. o5m m以內(nèi)。當焊接過程結束時,該裝置使超聲渡傳遞頭仍有向下壓力,直到焊點完全固化(保持時間) 。普通的壓頭往往會使超聲波傳遞頭的壓力沒有作用在鉚釘體頭部, 這樣只要施加很小的力就可使焊接后的結疤或成形不規(guī)則的鉚體頭分開。另外, 因為塑料的弾性恢復是不能抵消的,所以鉚接體嵌入物處通常留有間隙。

在設計鉚接體時,必須使其頂端倒角,這樣便于裝配(圖16中)。倒圓和沉坑可防止裝配時不希望產(chǎn)生的凹槽影響。另外,鉚接體的直徑和長度之比不能大于1:2。

超聲波傳遞頭的在超聲波焊接中是必不可少的,對于那些表面有波紋的,尺寸不規(guī)則的焊件,得接時還要加固定圈(圖l6右)超聲波柳接焊頭的設計方法很多,圖17介紹了超聲波焊頭的設計,供參改。

超聲波鉚接焊頭及塑料制件的工藝設計

13.超聲波凸緣連接焊                                 .

　　超聲波凸緣連接是超聲波鉚接的一種特殊形式。有時不需鉚接體整個穿過焊接時成可采用凸緣連接焊(圖18)。采用這種方法時起聲波傳遞的下側(cè)必須預先成形。

　　凸緣連接焊的加工周期和翻接焊相同。塑化材料在超聲波傳遞頭壓力下冷卻固化。這樣可有數(shù)地限止材料的反彈。這是該工藝很重要的優(yōu)點。且采用超聲波焊頭液壓控制和電子壓痕深度控制裝置,還可提高焊接質(zhì)量,確保重復連接。

14.鑲嵌金屬零焊件

　　在熱塑性塑料上鑲嵌銷子,鉗件成其他金屬件時,對其插入孔的尺寸必須仔細檢測。其粘度要求也可在零件圖上獲取。孔壁塑化才能鑲嵌住金屬件。根據(jù)被嵌另件的尺寸、形狀可獲得高撓曲, 扭動和頂出力矩。超聲波鑲嵌f奉是個很快的工藝過程。因此允許置于注射模塑周期的自動程序中。硬質(zhì)超聲波焊頭的設計很重要, 必頻使超聲波轉(zhuǎn)換器能吸收消除反向振蕩波。

  五.超聲波設備的作用

　　焊接口和焊接件設計不是保證超聲渡焊接工藝質(zhì)量的唯一因素。超聲波焊接設備和超聲波焊接工藝參數(shù)的選擇對超聲波焊接質(zhì)量也起著同樣重要的作用 。 現(xiàn)代焊接中的參數(shù)很多, 必須在實際應用中相互搭配 。 以下的工藝順序可作實際焊接的參考: 首先確定超聲波振幅能量; 其次是加壓力和觸發(fā); 再次是焊接速度; 最后是焊接和固化時間 。塑料件超聲波焊接工藝及焊接線設計此外超聲波振蕩發(fā)生器也是起決定性作用的, 要求它經(jīng)連續(xù)工作后不降低固有性能 。

    親愛的讀者朋友，本文介紹的超聲波焊接工藝設計方法，都是筆者長期從事超聲波焊接工藝研究總結的經(jīng)驗，在生產(chǎn)工作中遇到有關不理解不明白地方時，可以來電探討13510929282李工。