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,操作者根據這些情況可避免產生焊接不良品。

　　焊接件設計者根據這些情況,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。由于阻尼系數增加,該反作用力產生自激,只要增加部分振蕩能量就轉換成熱量。接口部分得好后,需要有一段冷卻時間,然后才可對產品進行再加工。超聲波焊接工藝是依靠振蕩體,包括轉換器、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, 以消除制件內部應力 。 否則在塑料件焊接時, 其內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時,必須注意這些同題,并采用適當的措施，對加工制件要一件一件進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指標時的參考。這樣可節(jié)省加工時間、能量和調換模具的成本。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。   

　　要根據產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部塑料粉粒狀 。 這些需根據以下各項標準:

(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。根據材料性質,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 。

　　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,塑化材料穿過網狀結構形成一個可靠的連接。得接金屬網狀物時要減小振幅。這點很重要,否則焊接時會造成網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。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。硬質超聲波焊頭的設計很重要, 必頻使超聲波轉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量的唯一因素。超聲波焊接設備和超聲波焊接工藝參數的選擇對超聲波焊接質量也起著同樣重要的作用 。 現(xiàn)代焊接中的參數很多, 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驗，在生產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。