塑膠制品的結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波焊接效果的影響

塑膠制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響超聲波焊接的效果

1.　整體塑膠件的設(shè)計(jì)

1.1塑膠件的結(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(xiǎn)性，超聲波焊接時(shí)是需要加壓的，一般氣壓為2-6Kg f/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(huì)引起共振而形成一些集中的能量聚焦點(diǎn)，從而產(chǎn)生燒傷、穿孔的情況（如圖1所示），在設(shè)計(jì)時(shí)可以在罐狀頂部做如下考慮：

     　　塑膠制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響超聲波焊接的效果

設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(gè)注塑出來(lái)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(huì)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塑膠件的附屬物

　　注塑件內(nèi)部或外部表面附帶的突出或細(xì)小件會(huì)因超聲波振動(dòng)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(jì)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(gè)大的R角，或加加強(qiáng)筋。

②   增加附屬物的厚度或直徑。

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1.5塑膠件的孔和間隙

　　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(huì)產(chǎn)生干擾和衰減。（如圖4所示）。根據(jù)村料類型（尤其是半晶體材料）和孔的大小，在開口的下端會(huì)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塑膠件中薄而彎曲的傳遞結(jié)構(gòu)

　　被焊頭接觸的塑料件的形狀中，如果有薄而彎曲的結(jié)構(gòu)，而且需要用來(lái)傳遞超聲波能量的時(shí)候，特別對(duì)于半晶體材料，超聲波震動(dòng)很難傳遞到加工面（如圖5所示）。對(duì)這種設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免。

圖5

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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(shí)會(huì)被衰減，尤以半晶體材料為甚。在非晶體塑料中，由于分子的無(wú)序排列，振動(dòng)基本不衰減地傳遞。衰減在低硬度塑料里也較厲害。因引，設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意到要讓足夠的能量偉到加工區(qū)域。

遠(yuǎn)距離焊接，對(duì)于硬膠（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(jì)也可用于遠(yuǎn)距離焊接。

7.1.8塑膠件焊頭接觸面的設(shè)計(jì)

　　注塑件可以設(shè)計(jì)成任何形狀，但是超聲波焊頭并不能隨意制作。形狀、長(zhǎng)短均可能影響焊頭頻率、振幅等參數(shù)。焊頭的設(shè)計(jì)需要有一個(gè)基準(zhǔn)面，即按照其工件頻率決定的基準(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，注塑件表面的突起等形狀最好小于整個(gè)塑料而后30%。平滑、圓弧過渡的塑料件表面，則此標(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(jì)。

塑料件焊頭接觸面至少大于熔接面，且盡量對(duì)正焊接位。過小的焊頭接觸面（如圖6所示），會(huì)引起較大的損傷和變形，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，焊接進(jìn)，會(huì)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）。

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2.超聲波焊接線設(shè)計(jì)，超聲波導(dǎo)能線

①   能量導(dǎo)向

②   剪切設(shè)計(jì)

　所有其它的變化都可歸類于這兩種類型或混和類型。

2.1能量導(dǎo)向

　　能量導(dǎo)向是一種典型的在將被焊接的一個(gè)面注塑出突起三角形柱。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(shí)獲得最大的力度。在這種導(dǎo)向中，其材料在部分流向接觸面。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)

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，如聚苯乙稀等硬度高、熔點(diǎn)低的材料時(shí)，建議高度最低為0.25mm。當(dāng)材料為半晶體材料或高溫混合脂時(shí)（如聚乙碳），則高度至少要為0.5mm。當(dāng)用能量導(dǎo)向來(lái)焊接半晶體樹脂時(shí)（如乙縮荃、尼龍），最大的連接力主要從能量導(dǎo)向柱的底盤寬度來(lái)獲得。

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　　沒有規(guī)則說(shuō)明能量導(dǎo)向應(yīng)做在塑料件哪一面，特殊情況要通過實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。當(dāng)兩個(gè)塑料件村質(zhì)、強(qiáng)度不同時(shí)，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(jì)可以組合、分段設(shè)計(jì)。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）。如圖8所示。

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2.2能量導(dǎo)向設(shè)計(jì)中對(duì)位方式的設(shè)計(jì)

　　上下塑料件在焊接過程中都要保證對(duì)位準(zhǔn)確，限位高度一般不低于1mm，上下塑料平行松動(dòng)位必須很小，一般小于0.05mm?；镜哪芰繉?dǎo)向可合并為連接設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單的對(duì)接，包括對(duì)位方式。采用能量導(dǎo)向的不同連接設(shè)計(jì)后例子包括以下幾種：

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，防止超聲波震斷。

　　臺(tái)階定位：圖10所示為基本的臺(tái)階定位方式，如h大于焊線的高度 ，則會(huì)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(gè)零件之間的差異就不易發(fā)現(xiàn)。圖11所示臺(tái)階定位，則可能產(chǎn)生外溢料。圖12所示臺(tái)階定位，則可能產(chǎn)生內(nèi)溢料。圖13所示臺(tái)階定位為雙面定位，可防止內(nèi)外溢料。

　　企口定位：如圖14所示（見上頁(yè)），采用這種設(shè)計(jì)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，因此使零件更難于注塑，同時(shí)，減小了焊接面，強(qiáng)度不如直接完全對(duì)接。

底模定位：如圖15所示，采用這種設(shè)計(jì)，塑料件的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，但對(duì)底模要求高。通常會(huì)引致塑料件的平行移位，同時(shí)底模固定太緊會(huì)影響生產(chǎn)效率。

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　　焊頭加底模定位：如圖16所示，采用這種設(shè)計(jì)一般用于特殊情況，并不實(shí)用及常用。

　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(gè)焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整個(gè)焊接的質(zhì)量和力度。通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。

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C：在焊接不易熔接的樹脂或不規(guī)則形狀時(shí)，為了獲得密封效果，則有必要插入一個(gè)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(gè)塑料蓋的焊接。

2.3剪切式設(shè)計(jì)

　　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(jì)也許達(dá)不到理想的效果。這是因?yàn)榘刖w的樹脂會(huì)很快從固態(tài)轉(zhuǎn)變成融化狀態(tài)，或者說(shuō)從融化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，而且是經(jīng)過一個(gè)相對(duì)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(shí)，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(jì)，首先是熔化小的和最初接觸的區(qū)域來(lái)完成焊接，然后當(dāng)零件嵌入到一起時(shí)，繼續(xù)沿著其垂直壁，用受控的接觸面來(lái)融化。如圖20所示，這樣，可獲得強(qiáng)勁結(jié)構(gòu)或很好的密封效果，因?yàn)榻缑娴娜刍瘏^(qū)域不會(huì)讓周圍的空氣進(jìn)來(lái)。由于此原因，剪切連接尤其對(duì)半晶體樹脂非常有用。

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　　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)塑料件壁厚較厚及強(qiáng)度要求高時(shí)，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(gè)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(shí)，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：

　　當(dāng)零件尺寸大于90mm時(shí)，或零件有不規(guī)則的形狀時(shí)，建議不采用剪切連接。這是因?yàn)樽⑺軙r(shí)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(jì)

　　圖23所示為扣式焊線設(shè)計(jì)，用于高強(qiáng)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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3、超聲應(yīng)用

3.1超聲焊接

　　圖24、25所示分別為近、遠(yuǎn)距離焊接的實(shí)例。

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3.2超聲波點(diǎn)焊

　　當(dāng)塑料件為較大平面的平板或沒有焊線的情況下，需要采用超聲波點(diǎn)焊。圖26所示點(diǎn)焊的設(shè)計(jì)方法。焊頭穿透上部塑料件后，熔融的塑料圍繞點(diǎn)焊的位置形成一個(gè)熔融的圓環(huán)，從而將兩塊平板牢牢地結(jié)合。一般上平板的厚度不大于8mm。超聲波點(diǎn)焊還可以用手動(dòng)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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3.3超聲波縫焊

　　薄膜、織物等可用超聲波來(lái)進(jìn)行縫制可以縫邊、打褶、縫針、壓印。織物中一般化纖含量大于65%。例如：無(wú)紡布、尼龍布等。圖27-29所示為不同的縫焊的例子。

3.4超聲波成形

對(duì)于熱融性塑料，超聲波都可以小部分地予以成形加工，相對(duì)于熱融加工來(lái)說(shuō)，超聲波加工有以下優(yōu)點(diǎn)：

①   超聲波為冷加工，即焊頭始終是冷的，不會(huì)產(chǎn)生熱加工中粘焊頭的情況。

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②   超聲波加工效率高、速度快。

　　超聲波成形是從表面開始，然后迅速傳遞的。所以考慮塑料件的設(shè)計(jì)非常重要，既要考慮熔接的外觀，又要考慮熔接后的強(qiáng)度。

超聲波成形主要應(yīng)用為鉚接和固定。圖30-32所示為典型的成形用途。

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3.5超聲波金屬埋插

　　螺紋內(nèi)置件、內(nèi)置螺絲或其它金屬部件均可通過超聲波將其埋入塑料件。通過設(shè)計(jì)金屬件及塑料件，高的扭力系數(shù)及強(qiáng)度均可得到保證，如圖33所示。

對(duì)應(yīng)不同高度的埋插要求，可用子母焊頭來(lái)進(jìn)行加工。小焊頭的位置和高度相對(duì)應(yīng)不同的位置和要求，如圖34所示。

　　對(duì)于比較長(zhǎng)的金屬件，一般固定金屬，而在塑料部件上施以超聲波。

　　下面講座如何設(shè)計(jì)以保證螺絲的扭力和強(qiáng)度。

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   ①   金屬件能平穩(wěn)地安放在塑料孔內(nèi).一般金屬件做成斜形件,塑料孔做成臺(tái)階、直、或斜形。在塑料孔頂部的位置要比金屬件的底大0.1-0.2mm。便于金屬件的安放。保證加工前金屬件穩(wěn)妥放置，并保持垂直。

   ②   安裝孔的底部與底部塑料應(yīng)有R≥0.2mm的加強(qiáng)位或增加加強(qiáng)筋，保證安裝孔的強(qiáng)度。

   ③   安裝孔直徑應(yīng)比埋插金屬件小，埋插過程中塑料的熔接量一定要大于至少等于金屬邊位固定紋路所需塑料量。另金屬邊固定位的紋路要夠粗、夠大，以保證強(qiáng)度。

   ④   塑料孔底部應(yīng)留下空余位1-3mm，用于熔融塑料的走位。

   ⑤   為保證扭力和強(qiáng)度，安裝孔壁的厚度必須不小于 1.5mm，或者最好大于2mm。

埋插過程中出現(xiàn)埋插件擺動(dòng)的情況，可通過如下方式解決：

   ①減小超聲波能量，即將振幅降低。

   ②下降速度和壓力減小。另外，埋插過程中，金屬表面會(huì)有小部分擦傷痕跡。

　　埋插過程中一般允許金屬表面比塑料表面高0.1mm。所以埋插過程中支持面應(yīng)是金屬表面，所以金屬件表面最設(shè)計(jì)一個(gè)較大平面支撐以保證垂直及平衡。如圖33所示。

埋插的強(qiáng)度根據(jù)設(shè)計(jì)和塑料不同而有所不同。

3.6 超聲波切割

　　化纖成分含量超過65%的無(wú)紡布或化纖布均可用超聲波來(lái)進(jìn)行分條、切割。

　　超聲波切割可連續(xù)或滾動(dòng)進(jìn)行，根據(jù)焊頭或底模的形狀設(shè)計(jì)，可切割出不同圖案，但要考慮印模的磨損。

　　超聲波切割的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)飛邊、走絲現(xiàn)象。

3.7 超聲波用于無(wú)紡布熔接

　　超聲波另一種特殊用途是將無(wú)紡布等熔接在塑料件上，兩種不同的塑料本身是不相熔的，實(shí)際上是下塑料件熔滲至無(wú)紡布將無(wú)紡布固定。一般建議在塑料件上設(shè)計(jì)熔接線。

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3.8多層薄片的熔接

　　超聲波能將多層卡片簿或織物或PVC薄膜等熔接起來(lái)。超聲波能量穿透材料使之熔在一起，一般需在焊頭上做出齒狀、網(wǎng)狀、條狀的紋路，在熔合出來(lái)的塑料件表面形成花紋。例如相簿中間骨的熔接。一般有6-24層。有三角形或條狀的花紋。

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