超声波焊接塑胶件的设计.doc

超聲波焊接塑膠件的設計
塑膠件的設計
代注塑方式能有效提供比較完美的焊接用塑膠件。光我們決定用超聲波焊接技術完成熔合時，塑膠件的結構設計必須首先考慮如下幾點：
  1 焊縫的大小（即要考慮所需強度）
  2 是否需要水密、氣密
  3 是否需要完美的外觀
  4 避免塑膠熔化或合成物的溢出
  5 是否適合焊頭加工要求
焊接品質可能通過下述幾方面的控制來獲得：
  1 材質
  2 塑膠件的結構
  3 焊接線的位置和設計
  4 焊接面的大小
  5 上下表面的位置和鬆緊度
  6 焊頭與塑膠件的妝觸面
  7 順暢的焊接路徑
  8 底模的支持
為了獲得完美的、可重複的熔焊方式，必須遵循三個主要設計方向：
  1 最初接觸的兩個表面必須小，以便將所需能量集中，並儘量減少所需要的總能量（即焊接時間）來完成熔接。
  2 找到適合的固定和對齊的方法，如塑膠件的接插孔、臺階或企口之類。
  3 圍繞著連接介面的焊接面必須是統一而且相聯繫互緊密接觸的。如果可能的話，接觸面儘量在同一個平面上，這樣可使能量轉換時保持一致。
下面就對塑膠件設計中的要點進行分類舉例說明：
整體塑膠件的結構
1. 1塑膠件的結構
塑膠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性，超聲波焊接時是需要加壓的，一般氣壓為2-6kgf/cm2 。所以塑膠件必須保證在加壓情況下基本不變形。
1.2罐狀或箱形塑膠等，在其接觸焊頭的表面會引起共振而形成一些集中的能量聚集點，從而產生燒傷、穿孔的情況（如圖1所示），在設計時可以罐狀頂部做如下考慮

○1 加厚塑膠件
○2 增加加強筋
○3 焊頭中間位置避空
1.3尖角
如果一個注塑出來的零件出現應力非常集中的情況，比如尖角位元，在超聲波的作用下會產生折裂、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
注塑件內部或外部表面附帶的突出或細小件會因超聲波振動產生影響而斷裂或脫落，例如固定梢等（如圖3所示）。通過以下設計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大的R角，或加加強筋。
○2 增加附屬物的厚度或直徑。

1. 5塑膠件孔和間隙
如被焊頭接觸的零件有孔或其他開口，則在超聲波傳遞過程中會產生干擾和衰減（如圖4所示），根據材料類型（尤其是半晶體材料）和孔大小，在開口的下端會直接出現少量焊接或完全熔不到的情況，因此要儘量預以避免。
1.6塑膠件中薄而彎曲的傳遞結構
被焊頭接觸的塑件的形狀中，如果有薄而彎曲的結構，而且需要用來傳遞超聲波能量的時候，特別對於半晶體材料，超聲波震動很難傳遞到加工面（如圖5所示），對這種設計應儘量避免。

1. 7近距離和遠距離焊接
近距離焊接指被焊接位距離焊頭接觸位在6mm以內，遠距離焊接則大於6mm，超聲波焊接中的能量在塑膠件傳遞時會被逐步衰減地傳遞。衰減在低硬度塑膠裏也較厲害，因此，設計時要特別注意要讓足夠的能量傳到加工區域。
遠距離焊接，對硬膠（如PS，ABS，AS，PMMA）等比較適合，一些半晶體塑膠（如POM，PETP，PBTB，PA）通過合適的形狀設計也可用於遠距離焊接。
1.8塑膠件焊頭接觸面的設計
注塑件可以設計成任何形狀，但是超聲波焊頭並不能隨意製作。形狀、長短均可能影響焊頭頻率、振幅等參數。焊頭的設計需要有一個基準面，即按照其工作頻率決定的基準頻率面。基準頻率面一般占到焊頭表面的70%以上的面積，所以，注塑件表面的突超等形狀最好小於整個塑膠面的30%。平滑、圓弧過渡的塑膠件表面，則比標準可以適當放寬，且突出位儘量位於塑膠件的中部或對稱設計。
塑膠件焊頭接觸面至少大於熔接面，且儘量對正焊接位，過小的焊頭接觸面（如圖6所示），會引起較大損傷和變形，以及不理想的熔接效果。

在焊頭表面有損傷紋，或其形狀與塑膠件配合有少許差異的情況下，焊接時，會在塑膠件表面留下傷痕。避免方法是：在焊頭與塑膠件表面之間墊薄膜（例如PE膜等）。
焊接線的設計
2 焊接線的設計
焊接線是超聲波直接作用熔化的部分，其基本的兩種設計方式：
○1 能量導向
○2 剪切設計
2.1能量導向
能量導向是一種典型的在將被焊接的一個面注塑出突起的三角形柱，能量導向的基本功能是：集中能量，使其快速軟化和熔化接觸面。能量導向允許快速焊接，同時獲得最大的力度，在這種導向中，其材料大部分流向接觸面，能量導向是非晶態材料中最常用的方法。
能量導向柱的大小和位置取決於如下幾點：
○1 材料
○2 塑膠件結構
○3 使用要求
圖7所示為能量導向柱的典型尺寸，當使用較易焊接的材料，如聚苯乙烯等硬度高、熔點低的材料時，建議高度最低為0.25mm。當材料為半晶體材料或高溫混合樹脂時（如聚乙碳），則高度至少要為0.5mm，當用能量導向來焊接半晶體樹脂時（如乙縮荃、尼龍），最大的連接力主要從能量柱的底盤寬頻度來獲得。

沒有規則說明能量導向應做在塑膠件哪一面，特殊情況要通過實驗來確定，當兩個塑膠件材質，強度不同時，能量導向一般設置在熔點高和強度低的一面。
根據塑膠件要求（例如水密、氣密性、強度等），能量導向設計可以組合、分段設計，例如：只是需要一定的強度的情況下，分段能量導向經常採用（例如手機電池等），如圖8所示。

2.2能量導向設計中對位方式的設計
上下塑膠件在焊接過程中都要保證對位準確，限位高度一般不低於1mm，上下塑膠平行機動位必須很小，一般小於0.05mm，基本的能量導向可合併為連接設計，而不是簡單的對接，包括對位元方式，採用能量導向的不同連接設計的例子包括以下幾種：
插銷定位：圖9所示為基本的插銷定位方式，插銷定位中應保證插銷件的強度，防止被超聲波震斷。

臺階定位：圖10所示為基本的臺階定位方式，如h大於焊線的高度，則會在塑膠件外部形成一條裝飾線，一般裝飾線的大小為0.25mm左右，形成更吸引人的外觀，而兩個零件之間的差異就不易發現。

圖11所示臺階定位，則可能產生外溢料。圖12所示臺階定位，則可能產生內溢料。圖13所示臺階定位為雙面定位，可防止內外溢料。

○1 企口定位：如圖14所示，採用這種設計的好處是防止內外溢料，並提供校準，材料容易有加強密封性的功能，但這種方法要求保證凸出零件的斜位元縫隙，因此使零件更難於注塑，同時，減小了焊接面，強度沒有直接完全對接高。

○2 底模定位：如圖15所示，採用這種設計，塑膠件的設計變得簡單，但對底模要求高，通常會引致塑膠件的平行移位，同時底模固定太緊會影響生產效果。

○ 3 焊頭加底模定位：如圖16所示，採用這種設計一般用於特殊情況，並不實用及常用。
○4 其他情況：
A：如圖17所示，為大型塑膠件可用的一種方式，應注意的是下支撐模具必須支撐住凸緣，上塑膠件凸緣必須接觸焊頭，上塑膠件的上表面離凸緣不能太遠，在必要情況下，可採用多焊頭結構。
B：如連接中採用能量導向，且將兩個焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整個焊接的品質和力度，通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。

○
C：在焊接不易熔接的樹脂或不規則形狀時，為了獲得密封效果，則有必要插入一個密封圈，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（帶塑膠塗層），與一個塑膠蓋的焊接。
2.3剪切式設計
在半晶體塑膠（如尼龍、乙縮醛、聚丙烯、聚乙烯和熱塑聚脂）的熔接中，採用能量導向的連接設計也許達不到理想的效果，這是因為半晶體的樹脂會很快從固態轉變成融化狀態，或者說從融化狀態轉化為固態。而且是經過一個相對狹窄的溫度範圍，從能量導向柱流出的融化物在還沒與相接介面融合時，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構。
採用剪切連接的設計，首先是熔化小的和最初接觸的區域來完成焊接，然後當零件嵌入到一起時，繼續沿著其垂直壁，用受控的接觸面來融化。如圖20所示，這樣可能獲得強勁結構和很好的密封效果，因為介面的熔化區域不會讓周圍的空氣進來。由於此原因，剪切連接尤其對半晶體樹脂非常有用。
剪切連接的熔接深度是可以調節的，深度不同所獲得的強度不同，熔接深度一般建議為0.8-1.5mm，當塑件壁厚較厚且強度要求高時，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構：

剪切連接要求一個塑膠壁面有足夠強度能支持及防止焊接中的偏差，有需要時，底模的支撐高於焊接位，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：
零件最大尺寸
接觸面尺寸
零件尺寸允許誤差
＜18mm
0.2mm-0.3mm
±0.025mm
18mm-35mm
0.3mm-0.4mm
±0.05mm
＞35mm
0.4mm-0.6mm
±0.075mm
當零件尺寸大於90mm時，或零件有不規則的形狀時，建議不採用剪切連接。這時因為注塑時很難控制誤差及變形使其保持一致。如果是上述情況，建議採用能量導向的形式。
圖22所示為雙面剪切式設計
圖23所示為扣式焊線設計，用於高強度，但上下塑膠件不接觸的情況下，在特殊情況下，可用于增加密封圈的情況。