超声波塑料件的焊接线设计研究

塑料件的设计
代注塑方式能有效提供比较完美的焊接用塑胶件。光我们决定用超声波焊接技术完成熔合时，塑料件的结构设计必须首先考虑如下几点：
  1 焊缝的大小（即要考虑所需强度）
  2 是否需要水密、气密
  3 是否需要完美的外观
  4 避免塑料熔化或合成物的溢出
  5 是否适合焊头加工要求
焊接质量可能通过下几点的控制来获得：
  1 材质
  2 塑料件的结构
  3 焊接线的位置和设计
  4 焊接面的大小
  5 上下表面的位置和松紧度
  6 焊头与塑料件的妆触面
  7 顺畅的焊接路径
  8 底模的支持
为了获得完美的、可重复的熔焊方式，必须遵循三个主要设计方向：
  1 最初接触的两个表面必须小，以便将所需能量集中，并尽量减少所需要的总能量（即焊接时间）来完成熔接。
  2 找到适合的固定和对齐的方法，如塑料件的接插孔、台阶或企口之类。
  3 围绕着连接界面的焊接面必须是统一而且相联系互紧密接触的。如果可能的话，接触面尽量在同一个平面上，这样可使能量转换时保持一致。
下面就对塑料件设计中的要点进行分类举例说明：

整体塑料件的结构
1.1塑料件的结构
塑料件必须有一定的刚性及足够的壁厚，太薄的壁厚有一定的危险性，超声波焊接时是需要加压的，一般气压为2-6kgf/cm2 。所以塑料件必须保证在加压情况下基本不变形。
1.2罐状或箱形塑料等，在其接触焊头的表面会引起共振而形成一些集中的能量聚集点，从而产生烧伤、穿孔的情况（如图1所示），在设计时可以罐状顶部做如下考虑
○1 加厚塑料件
○2 增加加强筋
○3 焊头中间位置避空
1.3尖角
如果一个注塑出来的零件出现应力非常集中的情况，比如尖角位，在超声波的作用下会产生折裂、融化。这种情况可考虑在尖角位加R角。如图2所示。
1.4塑料件的附属物
注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因超声波振动产生影响而断裂或脱落，例如固定梢等（如图3所示）。通过以下设计可尽可能减小或消除这种问题：
○1 在附属物与主体相交的地方加一个大的R角，或加加强筋。
○2 增加附属物的厚度或直径。

1.5塑料件孔和间隙
如被焊头接触的零件有孔或其它开口，则在超声波传递过程中会产生干扰和衰减（如图4所示），根据材料类型（尤其是半晶体材料）和孔大小，在开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量预以避免。
1.6塑料件中薄而弯曲的传递结构
被焊头接触的塑件的形状中，如果有薄而弯曲的结构，而且需要用来传达室递超声波能量的时候，特别对于半晶体材料，超声波震动很难传递到加工面（如图5所示），对这种设计应尽量避免。


1.7近距离和远距离焊接
近距离焊接指被焊接位距离焊头接触位在6mm以内，远距离焊接则大于6mm，超声波焊接中的能量在塑料件传递时会被衰减地传递。衰减在低硬底塑料里也较厉害，因此，设计时要特别注意要让足够的能量传到加工区域。
远距离焊接，对硬胶（如PS，ABS，AS，PMMA）等比较适合，一些半晶体塑料（如POM，PETP，PBTB，PA）通过合适的形状设计也可用于远距离焊接。
1.8塑料件焊头接触面的设计
注塑件可以设计成任何形状，但是超声波焊头并不能随意制作。形状、长短均可能影响焊头频率、振幅等参数。焊头的设计需要有一个基准面，即按照其工作频率决定的基准频率面。基准频率面一般占到焊头表面的70%以上的面积，所以，注塑件表面的突超等形状最好小于整个塑料面的30%。一滑、圆弧过渡的塑料件表面，则比标准可以适当放宽，且突出位尽量位于塑料件的中部或对称设计。
塑料件焊头接触面至少大于熔接面，且尽量对正焊接位，过小的焊头接触面（如图6所示），会引起较大损伤和变形，以及不理想的熔接效果。

在焊头表面有损伤纹，或其形状与塑料件配合有少许差异的情况下，焊接时，会在塑料件表面留下伤痕。避免方法是：在焊头与塑料件表面之间垫薄膜（例如PE膜等）。

  
焊接线的设计
2 焊接线的设计
焊接线是超声波直接作用熔化的部分，其基本的两种设计方式：
○1 能量导向
○2 剪切设计
2.1能量导向
能量导向是一种典型的在将被子焊接的一个面注塑出突超三角形柱，能量导向的基本功能是：集中能量，使其快速软化和熔化接触面。能量导向允许快速焊接，同时获得最大的力度，在这种导向中，其材料大部分流向接触面，能量导向是非晶态材料中最常用的方法。
能量导向柱的大小和位置取决于如下几点：
○1 材料
○2 塑料件结构
○3 使用要求
图7所示为能量导向柱的典型尺寸，当使用较易焊接的材料，如聚苯乙烯等硬度高、熔点低的材料时，建议高度最低为0.25mm。当材料为半晶体材料或高温混合树脂时（如聚乙碳），则高度至少要为0.5mm，当用能量导向来焊接半晶体树脂时（如乙缩荃、尼龙），最大的连接力主要从能量柱的底盘宽带度来获得。

没有规则说明能量导向应做在塑料件哪一面，特殊情况要通过实验来确定，当两个塑料件材质，强度不同时，能量导向一般设置在熔点高和强度低的一面。
根据塑料件要求（例如水密、气密性、强度等），能量导向设计可以组合、分段设计，例如：只是需要一定的强度的情况下，分段能量导向经常采用（例如手机电池等），如图8所示。

2.2能量导向设计中对位方式的设计
上下塑料件在焊接过程中都要保证对位准确，限位高度一般不低于1mm，上下塑料平行检动位必须很小，一般小于0.05mm，基本的能量导向可合并为连接设计，而不是简单的对接，包括对位方式，采用能量导向的不同连接设计的例子包括以下几种：
插销定位：图9所示为基本的插销定位方式，插销定位中应保证插销件的强度，防此超声波震断。

台阶定位：图10所示为基本的台阶定位方式，如h大于焊线的高度，则会在塑料件外部形成一条装饰线，一般装饰线的大小为0.25mm左右，创出更吸引人的外观，而两个零件之间的差异就不易发现。

图11所示台阶定位，则可能产生外溢料。图12所示台阶定位，则可能产生内溢料。图13所示台阶定位为双面定位，可防止内外溢料。

○1 企口定位：如图14所示，采用这种设计的好处是防止内外溢料，并提供校准，材料容易有加强密封性的获得，但这种方法要求保证凸出零件的斜位缝隙，因此使零件更难能可贵于注塑，同时，减小于焊接面，强度不如直接完全对接。

○2 底模定痊：如图15所示，采用这种设计，塑料件的设计变得简单，但对底模要求高，通常会引致塑料件的平行移位，同时底模固定太紧会影响生产效果。

○3 焊头加底模定位：如图16所示，采用这种设计一般用于特殊情况，并不实用及常用。
○4 其它情况：
A：如图17所示，为大型塑料件可用的一种方式，应注意的是下支撑模具必须支撑住凸缘，上塑料件凸缘必须接触焊头，上塑料件的上表面离凸缘不能太远，如必要情况下，可采用多焊头结构。
B：如连接中采用能量导向，且将两个焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整个焊接的质量和力度，通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。

C：在焊接不易熔接的树脂或不规则形状时，为了获得密封效果，则有必要插入一个密封圈，如图18所示，需要注意的是密封圈只压在焊接末端。图19所示为薄壁零件的焊接，比如热成形的硬纸板（带塑料涂层），与一个塑料盖的焊接。
2.3剪切式设计
在半晶体塑料（如尼龙、乙缩醛、聚丙烯、聚乙烯和热塑聚脂）的熔接中，采用能量导向的连接设计也许达不到理想的效果，这是因为半晶体的树脂会很快从固态转变成融化状态，或者说从融化状态转化为固态。而且是经过一个相对狭窄的温度范围，从能量导向柱流出的融化物在还没与相接界面融合时，又将很快再固化。因此，在这种情况下，只要几何原理允许，我们推荐使用剪切连接的结构。
采用剪切连接的设计，首先是熔化小的和最初触的区域来完成焊接，然后当零件嵌入到下起时，继续沿着其垂直壁，用受控的接触面来融化。如图20所示，这样可能性获得强劲结构或很好的密封效果，因为界面的熔化区域不会让周围的空气进来。由于此原因，剪切连接尤其对半晶体树脂非常有用。

剪切连接的熔接深度是可以调节的，深度不同所获得的强度不同，熔接深度一般建议为0.8-1.5mm，当塑件壁厚及较厚及强度要求高时，熔接深度建议为1.25X壁厚。
图21所示为几种基本的剪切式结构：

剪切连接要求一个塑料壁面有足够强度能支持及防止焊接中的偏差，有需要时，底模的支撑高于焊接位，提供辅助的支撑。
下表所示为零件大小尺寸和接触面、零件误差的大概尺寸：
零件最大尺寸 接触面尺寸 零件尺寸允许误差
＜18mm 0.2mm-0.3mm ±0.025mm
18mm-35mm 0.3mm-0.4mm ±0.05mm
＞35mm 0.4mm-0.6mm ±0.075mm

当零件尺寸大于90mm时，或零件有不规则的形状时，建议不采用剪切连接。这时因为注塑时很难控制误差及变形使其保持一致。如果是上述情况，建议采用能量导向的形式。
图22所示为双面剪切式设计
图23所示为扣式焊线设计，用于高强度，但上下塑料件不接触的情况下，在特殊情况下，可用于增加密封圈的情况
 

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