塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和超聲波導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)

超聲波焊接塑膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和超聲波導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)

1.前言:

　 ?超聲波焊接塑膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和超聲波熔接線設(shè)計(jì)的多方面相關(guān)內(nèi)容,超音波塑膠熔接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與超音波焊接線。

①其常常關(guān)系到防水防塵、強(qiáng)度等的可靠性設(shè)計(jì)要求（DFR），設(shè)計(jì)時(shí)是需要參考標(biāo)準(zhǔn)特征的選用的。所以作者本來(lái)希望把其歸類為高階篇：5）對(duì)癥設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)特征選用下，希望讀者能按照標(biāo)準(zhǔn)特征選用的流程來(lái)設(shè)計(jì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)。

②但其又可歸類為塑膠件可制造的要求（DFM），一些難以制造的問(wèn)題常常困擾超聲波焊接結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)熔線過(guò)小過(guò)長(zhǎng)難以制造導(dǎo)致焊接不好。

③其又必須符合裝配的DFA的要求，且其質(zhì)量與超聲波焊儀的設(shè)備息息相關(guān)。

綜合考慮后，作者還是把它歸類到DFM塑膠件設(shè)計(jì)下。

但設(shè)計(jì)的時(shí)候，希望工程師需要考慮到超聲波焊接結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、DFM檢查，DFA檢查三方面。

2. 超聲波焊接簡(jiǎn)介

　　超聲波焊接是利用超聲波振動(dòng)頻率，接觸摩擦產(chǎn)生熱能而使兩個(gè)塑膠件在焊接界面熔融而固定在一起。超聲波焊接是一種快捷、干凈、有效的裝配工藝，用于滿足塑膠件高強(qiáng)度的裝配要求，是廣泛使用的一種先進(jìn)裝配技術(shù)，適用于多種類型塑膠件的裝配。正常情況下，超聲波焊件具有較高的抗拉強(qiáng)度，可以取代溶劑粘膠及機(jī)械緊固等裝配方法，同時(shí)還可以具有防水、防潮的密封效果。

3. 超聲波焊接的原理

　　超聲波焊接的工作原理是通過(guò)超聲波發(fā)生器將50 Hz或60 Hz電流轉(zhuǎn)換成 15、20、30或40 kHz的電能，被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過(guò)換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，隨后機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)一套可以改變振幅的調(diào)幅器裝置傳遞到焊頭，如圖3-99所示。

焊頭將接收到的振動(dòng)能量傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區(qū)域，振動(dòng)能量通過(guò)摩擦方式被轉(zhuǎn)換為熱能，將塑料熔化，振動(dòng)停止后維持在塑膠件上的短暫壓力使兩塑膠件以分子連接方式凝固為一體，如圖3-100所示。

超聲波焊接時(shí)，兩個(gè)塑膠件從接觸到熔化，再到焊接成一體的實(shí)物剖視圖如 圖3-101所示。

4.超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn)

　　超聲波焊接是一種快捷、十凈、可靠性高的裝配工藝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在0.1?〇.5 s之內(nèi)完成；

2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時(shí)省去了大量夾具、粘合劑或者機(jī)械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經(jīng)濟(jì)的塑膠件裝配方式；

3)強(qiáng)度高。超聲波焊接幾乎可以達(dá)到塑膠件本體強(qiáng)度的80%以上；

4)合理的塑膠件設(shè)計(jì)可以使得超聲波焊接達(dá)到防水效果；

5)表面質(zhì)量好，焊點(diǎn)美觀，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫焊接；

6)工序簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接；

7)品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，適宜大批量生產(chǎn)；

8)超聲波焊接過(guò)程清潔、穩(wěn)定、可靠，而且能量消耗低。

5.超聲波焊接的局限性

　　盡管超聲波焊接有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但超聲波焊接也有一定的局限性，在選擇超聲波焊接工藝之前和進(jìn)行超聲波焊接塑膠件零件設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師必須清楚了 解超聲波焊接的局限性，并通過(guò)合理的零件設(shè)計(jì)來(lái)避免超聲波焊接缺陷的產(chǎn)生、提高焊接的質(zhì)量。
1)材料的限制性。

　　超聲波焊接并不能夠焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超聲波焊接一般僅適合于于—種或者相似塑料之間的焊接。如果兩個(gè)塑膠件材料不同，多數(shù)時(shí)候超聲波焊接無(wú)能為力。因此，一定選定超聲波焊接工藝，就不能輕易更改零件材料。有工程師曾經(jīng)向筆者反映，為何對(duì)ABS材料的兩個(gè)塑膠件進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，焊接質(zhì)量非常好，但由于其他設(shè)計(jì)要求，把一個(gè)塑膠件的ABS材料換成PBT，就很難焊接上？就是這個(gè)原因。

2)不可拆卸性。

　　超聲波焊接是不可拆卸性連接，無(wú)法進(jìn)行返工。一旦兩個(gè)零件過(guò)超聲波焊接裝配成一體，之后如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在質(zhì)量問(wèn)題，那么也無(wú)法進(jìn)行返工。

3)零件大小和形狀的限制。

中小型的塑膠件適合超聲波焊接，尺寸一般小于250mmx300 mm，較大的零件可能耑要多個(gè)焊接工序。而且超聲波焊接一般適用于形狀比較單一的塑膠件，對(duì)于形狀復(fù)雜的塑膠件，焊接質(zhì)量可能較低。

4)可能會(huì)造成塑膠結(jié)構(gòu)損壞

　　超聲波的能量很大，在焊接過(guò)程中有可能造成塑膠件本身因?yàn)閺?qiáng)度不夠而發(fā)生損壞，同時(shí)也可能造成產(chǎn)品內(nèi)部其他零部件的損壞。因此，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能增加塑膠件的強(qiáng)度和產(chǎn)品內(nèi)部其他零部件的強(qiáng)度，或者將零部件遠(yuǎn)離焊接區(qū)域，盡量把強(qiáng)度不高的其他零部件安排在超聲波焊接工序之后再進(jìn)行裝配。有些電控板上的電子元器件特別需要注意。

5)對(duì)調(diào)試人員的技術(shù)要求

　　目前超聲波焊接質(zhì)量對(duì)超超聲波焊接機(jī)的調(diào)機(jī)技術(shù)，以及對(duì)操作者的細(xì)心程度都有很大的依賴性。很多產(chǎn)品在前幾次超聲波焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接不夠牢固或者焊接表面過(guò)度熔化等質(zhì)量問(wèn)題，工程師會(huì)誤以為超聲波焊接的質(zhì)量就只能達(dá)到這一步，但其實(shí)絕大多數(shù)的質(zhì)量問(wèn)題可以通過(guò)焊接參數(shù)調(diào)整而得到解決，不過(guò)這需要依賴調(diào)機(jī)技術(shù)以及操作者的細(xì)心。最有效的方法是請(qǐng)超聲波設(shè)備供應(yīng)商專業(yè)人員提供幫助。

6)超聲波對(duì)于人的聽(tīng)力有傷害，應(yīng)準(zhǔn)備好勞保用品。特別是焊接時(shí)那一下高音，有些人會(huì)特別難受。

6.超聲波焊接的應(yīng)用

超聲波焊接的應(yīng)用非常廣泛：
(1)汽車行業(yè)

　　汽車行業(yè)要求超聲波焊接的零部件具有防水性和較高的表面光潔度，例如車頭燈；另外，發(fā)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)的零部件要求滿足較高的力學(xué)性能要求。典型應(yīng)用實(shí)例包括車頭燈、前后門(mén)、剎車燈、燈座、插座、信號(hào)器件、按鈕、導(dǎo)風(fēng)管、儀表板和保險(xiǎn)桿等。
(2)電子電器行業(yè)

　　電子電器行業(yè)要求超聲波焊接能夠提供較高的機(jī)械強(qiáng)度，在有些場(chǎng)合，要求一定的外觀表面要求。典型應(yīng)用包括墻壁插座、開(kāi)關(guān)、電源、燈架、吊燈、溫度控制器、洗衣機(jī)出水栓、蒸汽熨斗、電池殼、充電器、手機(jī)外殼、手機(jī)配件、吸塵器、電話等。

(3)玩具行業(yè)
典型應(yīng)用案例包括搖鈴、嬰兒洗澡溫度計(jì)、音樂(lè)玩具、球類玩具等。
(4)日用品業(yè)

粉盒、化妝鏡、保溫杯、密封式容器、調(diào)味瓶、水管接頭、食品容器、打火機(jī)等。

(5)辦公產(chǎn)品

　要求超聲波焊接具有較高的外觀質(zhì)量要求。典型應(yīng)用案例包括圓珠筆、膠帶切割器、文件夾、鉛筆盒、訂書(shū)機(jī)、卡式墨水管、書(shū)架、文件夾、塑料筆桶等。
圖3-102所示是超聲波焊接的一些應(yīng)用實(shí)例。

7.超聲波焊接步驟

超聲波焊接詳細(xì)步驟如圖3-103所示：

8.影響塑膠件超聲波焊接性能的要素。

8.1）塑料特性:

塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料。

熱固性塑料可塑但不可逆。第一次加熱時(shí)可熔化流動(dòng)，加熱到一定溫度，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，交聯(lián)固化變硬而形成固體；但這種變化時(shí)不可逆的，當(dāng)重新受熱加壓時(shí)，熱固性塑料不能再次熔化。因此，超聲波焊接不能焊接熱固性塑料。熱塑性塑料可塑又可逆，當(dāng)?shù)谝患訜嵝纬晒腆w后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)僅經(jīng)歷形態(tài)的變化，是可逆的；重新加熱和加壓時(shí)，能夠重新熔化并再次形成固體。超聲波焊接能夠焊接大部分的熱塑性塑料。

熱塑性塑料又分為無(wú)定形塑料和半結(jié)晶塑料。

由于二者的分子結(jié)構(gòu)和排布不同，二者的超聲波焊接性能又有所差別。

無(wú)定形塑料的分子結(jié)構(gòu)呈隨機(jī)分布，沒(méi)有一個(gè)明確的熔點(diǎn)Tm，其在一個(gè)很廣泛的溫度范圍內(nèi)逐步軟化、熔化和流動(dòng)；而不是一旦加熱到某個(gè)溫度就立即從固體熔化，然后又立即固化。無(wú)定形塑料的這種特性非常易于傳導(dǎo)超聲波振動(dòng)能力，能夠在較大的壓力和振幅范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波焊接。

半結(jié)晶塑料的分子結(jié)構(gòu)在局部呈規(guī)律性分布，有一個(gè)明確的熔點(diǎn)Tm。在溫度達(dá)到熔點(diǎn)之前，半結(jié)晶塑料始終保持著固態(tài)；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)后，整個(gè)分子鏈立刻幵始運(yùn)動(dòng)，并立即固化。無(wú)定形塑料和半結(jié)晶塑料的熔化過(guò)程區(qū)別如圖3-106所示。

半結(jié)晶塑料呈規(guī)律性分布的分子結(jié)構(gòu)類似于彈簧，非常容易吸收髙頻的超聲波振動(dòng)能量，使得能量很難從焊頭傳遞到焊接界面，必須有足夠大的超聲波能量才能使半結(jié)晶塑料熔化。因此，相對(duì)于無(wú)定形塑料，半結(jié)晶塑料比較難焊接。為了使半結(jié)晶塑料獲得較高的焊接質(zhì)量，往往需要考慮更多的因素，例如較髙的振幅、合適的焊接界面設(shè)計(jì)、焊頭的接觸、焊接的距離以及焊接夾具等。

8.2）其他要素：

在超聲波焊接時(shí)，還需要考慮其他一些因素，這些因素包括注射過(guò)程的影響、吸水性、脫模劑、潤(rùn)滑劑、塑化劑、添加劑、阻燃劑、回料、色料及塑料等級(jí)等。

(1)塑料的吸水性：

塑料的吸水性是超聲波焊接性能的重要影響因素。如果塑料含有過(guò)多的水分，在超聲波焊接過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到水的沸點(diǎn)時(shí)，塑料中的水分蒸發(fā)和氣化，焊接界面呈泡沫狀，使得超聲波焊接強(qiáng)度低，同時(shí)很難獲得密封性能以及高質(zhì)量的外觀；另外，過(guò)多的水分還會(huì)造成焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接成本增加，如圖3-108所示。

具有吸水性的塑膠件應(yīng)該在注射完成后馬上進(jìn)行超聲波焊接。如果不能馬上進(jìn)行焊接，應(yīng)該以裝有干燥劑的PE袋進(jìn)行密封包裝；沒(méi)有密封包裝的吸水塑膠件，在焊接之前應(yīng)該進(jìn)行烘干。

(2)脫模劑：

脫模劑經(jīng)常直接噴灑在模具型腔內(nèi)，通過(guò)減少塑膠件與型腔摩擦力的方式，幫助塑膠件從型腔中脫出。不幸的是，在超聲波焊接時(shí)，脫模劑也會(huì)減小焊接界面上兩塑膠件的表面摩擦力，而超聲波焊接工藝正是依靠表面摩擦產(chǎn)生熱的，脫模劑會(huì)降低超聲波焊接性能。另外，脫模劑中的化學(xué)物質(zhì)也會(huì)影響理想焊接強(qiáng)度的獲得。
因此，對(duì)于需要進(jìn)行超聲波焊接的塑膠件，必須在注射過(guò)程中避免使用脫模劑。如果不得不使用脫模劑，則在焊接前必須清洗塑膠件，不過(guò)只有一些脫模劑能夠清洗干凈。推薦使用干性脫模劑，其對(duì)超聲波焊接性能影響最小，甚至不必在焊接進(jìn)行前清洗。盡量避免使用硅、氟、硬脂酸鋅和硬脂酸鋁等類型的脫模劑。

(3)潤(rùn)滑劑：

潤(rùn)滑劑例如蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸鋁、硬脂酸和脂肪酸等被加入到塑料中用于提高流動(dòng)性和增加注射性能。但是，在超聲波焊接時(shí)，潤(rùn)滑劑會(huì)減小焊接界面的摩擦系數(shù)，從而影響塑料的超聲波焊接性能。

(4)填充劑：

為了提高塑料的力學(xué)性能，塑料中會(huì)加入填充劑，常用的填充劑有玻璃纖維、碳纖維、滑石粉以及碳酸鈣等。玻璃纖維添加到塑料中用于提高塑料的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。普通的礦物質(zhì)填充劑，如玻璃纖維和滑石粉，會(huì)提高塑料傳導(dǎo)振動(dòng)的能力，提髙塑料的超聲波焊接性能，特別是對(duì)于半結(jié)晶塑料。一般來(lái)說(shuō)，10%?20%的玻璃纖維會(huì)顯著提高塑料的超聲波焊接性能。
但是，比例過(guò)大會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題。例如，填充劑的比例若為30%，但在局部的焊接界面，真實(shí)的比例可能已經(jīng)超過(guò)30%，使得在焊接界面沒(méi)有足夠的塑料熔化而獲得理想的焊接質(zhì)量。當(dāng)填充劑比例超過(guò)40%時(shí)，很有可能在焊接界面不可焊接的材料比可焊接的材料還多，這就意味著超聲波焊接性能會(huì)變得很差。

(5)回料：

由于塑料的可冋收性和為了降低零件材料成本，在塑料中常常會(huì)加入回料。超聲波焊接允許在塑料中加入回料，因?yàn)榛亓媳旧硎峭环N塑料，但是，回料的比例不能過(guò)大，而且回料不能是已經(jīng)降解的或者被污染的，否則會(huì)出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題。為了保證焊接的質(zhì)量，建議回料的比例越少越好。

(6)色素：

色素對(duì)塑料的超聲波焊接性能影響較小，除非色素的比例過(guò)高。相比其他顏色，白色和黑色通常需要添加更多的色素，冇可能帶來(lái)一些焊接問(wèn)題。同一種塑料的不同顏色可能需要不同的焊接參數(shù)，可以通過(guò)調(diào)機(jī)來(lái)獲得。

(7)塑料等級(jí)：

塑料等級(jí)對(duì)塑料的超聲波焊接性能具有很大的影響。同一種塑料的不同等級(jí)可能會(huì)有不同的熔點(diǎn)和不同的流動(dòng)特性。

9 導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)

9.1 導(dǎo)熔線的概念

超聲波焊接時(shí)，兩個(gè)塑膠件的初始接觸面積必須足夠小，以集中能量，同時(shí)減少塑料熔化和熔合所需的總體能量。導(dǎo)熔線（或稱導(dǎo)熔線柱、超聲線）即是這樣的一種結(jié)構(gòu)，是在一個(gè)塑膠件焊接界面上凸起的三角形柱，頂端越尖越好，基本作用是將振動(dòng)能量聚集在三角形的尖端，其后累積的熱量在整個(gè)焊接界面形成均勻的塑料熔流。
導(dǎo)熔線的優(yōu)點(diǎn)包括：
1)增加焊接的強(qiáng)度，減少虛焊。導(dǎo)熔線利于兩個(gè)塑膠件的熔合，可提高焊接的強(qiáng)度。使用導(dǎo)熔線的超聲波焊接如果發(fā)生虛焊，則兩個(gè)塑膠件之間會(huì)出現(xiàn)斷差，很容易發(fā)現(xiàn)虛焊的缺陷、繼而避免虛焊的產(chǎn)生；而沒(méi)有導(dǎo)熔線的超聲波焊接如果發(fā)生了虛焊，則很難通過(guò)外觀進(jìn)行辨別。

2)減少溢料，提高外觀。導(dǎo)熔線使得焊頭與塑膠件的接觸時(shí)間縮短，因此較少溢膠。另外，由于焊接區(qū)域變小，避免了材料堆積從而減少溢膠。通過(guò)合理的導(dǎo)熔線及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超聲波焊接可以具有高品質(zhì)的外觀。

3)縮短焊接時(shí)間。導(dǎo)熔線可減少塑料熔化和熔合所需的總體能量，繼而縮短焊接時(shí)間，圖3-109所示為無(wú)導(dǎo)熔線與有導(dǎo)熔線的焊接時(shí)間對(duì)比，使用導(dǎo)熔線的焊接塑料更早熔化和熔合成一體。同時(shí)，焊接時(shí)間的縮短有助于避免塑膠件長(zhǎng)時(shí)間焊接而引起的過(guò)焊問(wèn)題。

4)減少振幅。導(dǎo)熔線使得超聲波焊接在滿足焊接質(zhì)量的前提下，需要較小的焊接能量，從而可以減小焊接振幅。

9.2 導(dǎo)熔線的基本設(shè)計(jì)

正確的導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)是提高超聲波焊接強(qiáng)度和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。導(dǎo)熔線必須具備的條件是最初的接觸面積不可太大。相對(duì)于無(wú)定形塑料，半結(jié)晶塑料要求導(dǎo)熔線的角度更尖，這是因?yàn)榘虢Y(jié)晶塑料本身并不太利于超聲波焊接能量的傳導(dǎo)。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)定形塑料的導(dǎo)熔線頂端角度為90°，半結(jié)晶塑料的導(dǎo)熔線頂端角度為60°,如圖3-110所示。

導(dǎo)熔線可設(shè)計(jì)在任意一個(gè)焊接零件上，推薦把導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)在與焊頭接觸的塑膠件上。錯(cuò)誤的導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)不利于兩個(gè)塑膠件之間的超聲波焊接，如圖3-111所示。

9.3 十字交叉型導(dǎo)熔線

十字交叉型導(dǎo)熔線是指在兩個(gè)焊接塑膠件上均設(shè)置互相垂直交叉的導(dǎo)熔線，以在焊接時(shí)提供最小的初始接觸面積，同時(shí)使得兩個(gè)零件上的更多的塑料能夠熔合為一體，如圖3-112所示。

十字交叉型焊接能夠提高超聲波焊接強(qiáng)度，縮短焊接時(shí)間和減小焊接功率，但容易產(chǎn)生斷差和溢膠。兩個(gè)塑膠件
上的導(dǎo)熔線尺寸均應(yīng)當(dāng)為常規(guī)尺寸的60%，導(dǎo)熔線頂端角度為60°。

當(dāng)產(chǎn)品有水密和氣密的要求時(shí)，可將與焊頭接觸的導(dǎo)熔線連續(xù)排列，呈鋸齒形狀，導(dǎo)熔線之間沒(méi)有間隙，如圖3-113所示。

這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是超聲波焊接為熔合更多塑料，很有可能造成溢料，影響產(chǎn)品表面外觀質(zhì)量，因此這種設(shè)計(jì)適用于溝槽型或階梯型超聲波焊接結(jié)構(gòu)中以隱藏溢料。

9.4 導(dǎo)熔線垂直于壁

如圖3-114所示，導(dǎo)熔線垂直于壁，可以用于提高焊接的抗剝離力以及減少溢膠。這種設(shè)計(jì)適用于非密封要求的產(chǎn)品中。

9.5 間斷的導(dǎo)熔線

如圖3-115所示，導(dǎo)熔線是不連續(xù)、間斷的，可用于減小焊接能量的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)會(huì)降低焊接強(qiáng)度，適用于非密封要求的產(chǎn)品中。
　 　 　

9.6 鑿子型導(dǎo)熔線

當(dāng)塑膠件尺寸小于1.5mm時(shí)，常規(guī)的導(dǎo)熔線可能會(huì)較小，造成焊接強(qiáng)度不夠，可使用鑿子型導(dǎo)熔線，如圖3-116所示。鑿子型導(dǎo)熔線的高度為0.38 ~0.50mm，角度為45°；鑿子型導(dǎo)熔線位于臺(tái)階的內(nèi)側(cè)，可確保焊接時(shí)不會(huì)脫離狹小的焊接界面，另外還可以使得塑料熔料遠(yuǎn)離產(chǎn)品開(kāi)口區(qū)域。

10 超聲波焊接的結(jié)構(gòu)

10.1 基本型

超聲波焊接結(jié)構(gòu)的基本型，是在焊接平面上設(shè)計(jì)一條貫穿整個(gè)焊接平面的導(dǎo)熔線，如圖3-117所示?；拘偷某暡ê附咏Y(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)的場(chǎng)合，其缺點(diǎn)是有可能會(huì)在塑膠件的熔合面產(chǎn)生溢膠，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

//基本型缺點(diǎn)較多，能不用就不用。

10.2 階梯型

階梯型焊接如圖3-118所示。其優(yōu)點(diǎn)是適當(dāng)增加兩個(gè)塑膠件非焊接界面的間隙（0.13?0.51mrn)可將焊接熔料可隱藏于間隙1中，避免溢膠的產(chǎn)生，具有較高的外觀表面質(zhì)量。

//其實(shí)就是美工槽。
階梯型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于2mm。

10.3 溝槽型

溝槽型焊接采用間距式移位焊接，設(shè)計(jì)時(shí)凹凸面保持一定的間隙和斜度，適用于要求完全密封的焊件。同時(shí)，溝槽式焊接界面提供自定位功能。適當(dāng)?shù)脑黾觾蓚€(gè)塑膠件非焊接界面的間隙（0.13?0.51mm)可以防止溢膠的產(chǎn)生，如圖3-119所示。

溝槽型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于3mm。

10.4 剪切型

對(duì)于半結(jié)晶塑料，普通結(jié)構(gòu)的超聲波焊接，例如基本型、階梯型等很難保證足夠的焊接強(qiáng)度。這是因?yàn)榘虢Y(jié)晶塑料從固體轉(zhuǎn)化為熔化狀態(tài)是在很短的一個(gè)溫度變化區(qū)間完成的，轉(zhuǎn)化的時(shí)間極快，反之亦然。因此，在熔化塑料與對(duì)應(yīng)零件的塑料熔合在一起之前，有可能有部分塑料已經(jīng)固化，造成焊接強(qiáng)度低。
針對(duì)半結(jié)晶塑料，建議使用剪切型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3-120所示。

剪切型焊接首先在較小的初始接觸區(qū)域進(jìn)行熔合，然后在一段干涉區(qū)域繼續(xù)熔合。由于熔合區(qū)域沒(méi)有與周圍的空氣接觸，剪切型焊接可以保證較高的焊接強(qiáng)度和提高密封性能。剪切型焊接的強(qiáng)度取決于熔合區(qū)域的垂直高度，即焊接深度。一般要求焊接深度為零件焊接處壁厚的1. 25倍，兩個(gè)塑膠件干涉量以及尺寸精度要求見(jiàn)表3-15。

為確保剪切型焊接的質(zhì)量，需要注意以下幾點(diǎn)：
1)側(cè)壁的強(qiáng)度需要足夠髙以及獲得足夠的支撐，以避免因?yàn)楹附舆^(guò)程產(chǎn)生的力而造成側(cè)壁變形；而底部焊接零件也必須通過(guò)焊接治具進(jìn)行支撐，治具需要緊靠在零件的四周。

2)上部塑膠件的強(qiáng)度必須足夠大，以避免在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形。同樣的道理，底部塑膠件的壁厚應(yīng)當(dāng)大于2mm以避免變形。

3)上部塑膠件和底部塑膠件在干涉區(qū)域的配合面應(yīng)當(dāng)是平面，并互相垂直。

4)焊接塑膠件需要具有較好的制造精度，推薦使用下一節(jié)提供的定位柱與定位孔等定位方法來(lái)輔助兩個(gè)塑膠件的準(zhǔn)確對(duì)齊。否則，焊接干涉區(qū)域的尺寸由于較小而得不到保證，繼而無(wú)法確保焊接的強(qiáng)度。
剪切型焊接可以和溝槽型焊接等結(jié)構(gòu)配合使用。

10.5 特殊形狀

為了使較難熔接的塑膠件或外形不規(guī)則的塑膠件達(dá)到水氣密熔接，可能需要使用彈性油封與旋繞道以阻隔熔膠的流動(dòng)。圖3-121所示為一種配合〇形密封圈的焊接界面設(shè)計(jì)。

//這時(shí)候超聲波焊接只有像螺釘一樣的固定作用，并沒(méi)有水氣密的作用。

//其實(shí)現(xiàn)代的超聲波焊接結(jié)構(gòu)在發(fā)展中，新的結(jié)構(gòu)層出不窮。一般好的供應(yīng)商都會(huì)提供相對(duì)應(yīng)的超聲波結(jié)構(gòu)資料，以配合自家的設(shè)備達(dá)到最好的焊接效果。所以讀者是可以向供應(yīng)商索要的。

11.塑膠件的超聲波焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)之前，下面這些因素必須充分考慮清楚：

11.1 使用塑料的種類。

塑料不同，對(duì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)要求也不同。例如，相對(duì)于無(wú)定形塑料，半結(jié)晶塑料要求導(dǎo)熔線角度越尖越好；另外，半結(jié)晶塑料應(yīng)盡量避免遠(yuǎn)程焊接，否則焊接質(zhì)量不容易得到保證。

11.2 產(chǎn)品尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　超聲波焊接要求產(chǎn)品尺寸不能過(guò)大，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須有利于超聲波焊接能量從焊頭傳遞到焊接界面，同時(shí)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須足夠強(qiáng)壯以抵抗超聲波焊接時(shí)的巨大能量。

11.3 產(chǎn)品受力。

產(chǎn)品受力的大小、類型和方向決定了導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)和布局。

11.4 水氣密的要求。

產(chǎn)品如果有水氣密的要求，則導(dǎo)熔線需要達(dá)到密封的要求。

11.5 外觀的要求。

如果產(chǎn)品的外觀要求較高，不允許溢膠的產(chǎn)生，則需要合理地設(shè)計(jì)超聲波焊接結(jié)構(gòu)以避免溢膠。

11.6 是否還有其他特殊要求。

12.其余輔助超聲波焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則（重要）

12.1 超聲波焊接零件需要導(dǎo)向和預(yù)定位

在兩個(gè)塑膠件焊接界面開(kāi)始接觸之前，在零件之間設(shè)計(jì)定位特征能夠保證兩個(gè)塑膠件的準(zhǔn)確定位，這有利于提高超聲波焊接的質(zhì)量和提高焊接的尺寸精度，定位特征包括定位柱、孔、凸臺(tái)和邊等，如圖3-122所示。當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)輔助夾具來(lái)增加定位，筆者不推薦這種方法，因?yàn)閺拿嫦蛑圃旌脱b配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論來(lái)看，輔助夾具會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品成本的增加，不是一個(gè)最好的方法。

　　　　　　　　　　　　　良好的塑膠產(chǎn)品上下殼定位是實(shí)現(xiàn)完美超聲焊接的前提

12.2 避免尖角

由于焊接零件上的尖角在注射過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，在超聲波機(jī)械振動(dòng)下，很容易發(fā)生折斷。所以，對(duì)于塑膠件壁與壁的任意連接處呈尖角的地方，都應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一定的圓角（半徑至少大于0.5mm),如圖3-123所示。

避免尖角、直角設(shè)計(jì)可以避免應(yīng)力集中造成產(chǎn)品振斷

12.3 避免超聲波零部件結(jié)構(gòu)較弱而發(fā)生斷裂

塑膠件內(nèi)部或外部表面附帶的突出或細(xì)小特征會(huì)因超聲波振動(dòng)發(fā)生斷裂或脫落，通過(guò)以下措施可減少或消除這種問(wèn)題：
1)在細(xì)小特征與主體相交的地方加一個(gè)大的R角（見(jiàn)圖3-124)。
2)增加細(xì)小特征的厚度或直徑。

12.4 把近場(chǎng)焊接作為第一選擇

近場(chǎng)焊接是指超聲波焊接界面與焊頭接觸面間的距離在6.35mm以內(nèi)，大于6.35mm的稱為遠(yuǎn)場(chǎng)焊接，如圖3-125所示。
在無(wú)定形塑料中，分子的無(wú)序排列使得振動(dòng)能量容易在其間傳遞并且衰減很小，在低硬度塑料中也會(huì)發(fā)生振動(dòng)能量的衰減現(xiàn)象。與之相反，半結(jié)晶塑料中的晶體結(jié)構(gòu)阻礙了振動(dòng)的傳導(dǎo)，振動(dòng)衰減很大，使得遠(yuǎn)場(chǎng)焊接變得困難。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到是否有足夠的能量傳遞到焊接界面；對(duì)于半結(jié)晶塑料，應(yīng)盡量避免使用遠(yuǎn)場(chǎng)焊接。

12.5 增加塑膠件焊接面與焊接頭的接觸面積

焊頭位置和焊頭與塑膠件接觸是能否成功焊接的一個(gè)關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，焊頭應(yīng)該足夠大使得其直線投影可以覆蓋整個(gè)焊接區(qū)域，這一方面可以幫助將超聲波振動(dòng)能量傳遞到焊接區(qū)域，另一方面可避免在表面留下傷痕，如圖3-126所示。

接觸面積過(guò)小會(huì)影響超聲波的傳遞效果

12.6 焊接面與焊頭面平行，且為單一平面

塑膠件的焊接面必須平行于焊頭面，而且焊接面和焊頭面均要分別保持在單一平面，從而使得能量均勻傳遞，有利于取得一致的焊接效果，并減小溢膠可能性，圖3-127和圖3-128所示就是錯(cuò)誤的焊接面和焊頭面設(shè)計(jì)。

12.7超聲波傳導(dǎo)區(qū)避免孔或缺口

與焊頭接觸的塑膠件有孔或其他缺口，則在超聲波傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干擾和衰減。根據(jù)塑料類型（尤其是半晶體材料）和孔的大小，在開(kāi)口的下端會(huì)直接出現(xiàn)少量焊接或完全熔不到的情況，因此要盡量避免在超聲波傳導(dǎo)區(qū)域出現(xiàn)孔或缺口，如圖3-129所示。

　　　　　　　　　產(chǎn)品鏤空位置將阻礙超聲波能量的傳遞

12.8避免薄而彎曲的結(jié)構(gòu)

超聲波的傳播是直線傳播，因此在超聲波的傳播路徑中，應(yīng)當(dāng)避免薄而彎曲的結(jié)構(gòu)，否則超聲波振動(dòng)很難傳遞到焊接面，特別對(duì)于半晶體材料，如圖3-130所示。

12.9避免薄膜效應(yīng)

薄膜效應(yīng)是一種能量聚集效應(yīng)，可造成塑膠件出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，在平的、圓形的、壁厚較薄的位置最為常見(jiàn)，通過(guò)采取下列一個(gè)或結(jié)合數(shù)個(gè)措施可以克服這種現(xiàn)象：
1)增加壁厚，如圖3-131所示。
2)減少熔接時(shí)間。
3)改變振幅。
4)采用振幅剖析。
5)在焊頭上設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)活塞。
6)增加內(nèi)部加強(qiáng)筋。
7)評(píng)估其他頻率。