关于超声波结构的设计要点

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2011-01-22 11:45:15

1.超音波应用原理：

利用超音波振动频率，接触摩擦产生热能使塑料熔融而结合，依目前较普遍的，即为每秒振动二万次﹙２０ＫＨＺ﹚与每秒振动１．５万次﹙１５ＫＨＺ﹚二种（另外尚有数种特殊振动频率）。

2.超声波结构

一般来说，在设计超声波结构之前，需考虑

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等问题。选择什么塑料是否只需要结构性的熔接,如果需要的话，要求它能承受多少压力是否需要水气密是否有外观上的要求是否允许有任何溢胶微粒的产生是否还有其它特殊要求

3.熔接面的设计准则

那超声波结构设计中，最重要的就是熔接面的设计。

为了获得可接受的、稳定性高的熔接效果,必需遵循下述三项基本设计准则：

1. 两熔接面的最初接触面积必须减小，以降低初期与最后的完全熔化所需要的总能量，使 焊头与工件的接触时间降低至最少因而减低造成伤痕的机会，也因此减少溢胶；

2. 提供一种能使二熔接面相互对位的方式，在搭配塑件的设计中可采用插针与插孔，阶梯或沟槽的方式，而不应采用固定在焊头或底模内的方式，这样可确保准确与稳定的对位并避免造成伤痕；

3. 整个熔接面必须均匀一致与紧密接触，尽可能保持在同一平面，这样的形状能使能量均匀传导，有利于取得一致的与可控制的熔接效果，并且能减低溢胶产生的可能性；

4.熔接面有导熔线和剪切两种主要设计类形.

4.1. 导熔线：

导熔线实际上是在二熔接面之一上形成一条三角形凸出材料，导熔线的基本作用是聚集能量并且迅速把要熔接的另一面熔解，导熔线能快速熔解并达到最高的熔接强度，原因是导熔线本身的材料熔解并且流到整个熔接区域，导熔线设计是非晶型材料所采用最广泛的熔接面设计，当然半晶材料亦可采用这种设计.

4.2. 导熔线的尺寸和位置取决于以下因素:

1.材料;

2.熔接要求;

3.工件大小;

导熔线必须愈尖愈好,圆顶或扁平的导熔线将减低熔胶流动的效率,当熔接相对容易熔接的塑料(如高硬度和低熔解温度的PS),建议导熔线的高度不可低于0.25㎜,若熔接半晶型或高熔解温度之非晶型塑料(如PC),导熔线高度不可低于0.5㎜;对于采用导熔线设计的半晶型塑料(如PA),熔接强度是来自导熔线三角型的底线之宽度.顶角随壁厚而改变;原则上导熔线设置在哪一边的塑件的熔接面上是没有任何分别的.但在熔接两种不同材料的特殊情况下,一般上是将导熔线设置在熔解温度和硬度较高的那一边的工件的熔接面上;导熔线的设计要有能相互对位的功能如插针与插孔,肋状对位片,沟槽设计,或需要良好的支撑.熔接区域不可放置顶针;

4.3. 下面是几种比较典型的导熔线的结构设计：

4.3.1.阶梯熔接面

一阶梯熔接面设计主要用于需要精确对位与完全不可接受过熔或溢胶出现在外露表面的高质量要求上；

设计注意(图1.)围绕整个工件接口之额外0.25至0.64㎜的空隙,这新增的“影线(美工线)”设计特性使熔接完毕后接口四周将出现0.25至0.64㎜之空隙.如此会产生美观的效应,因为工件与工件之间的变形不易被发觉.如果完全密合,很可能会在某些位置出现溢胶,在别的位置却出现微隙;美工线的设置使微小的变形不易被察觉.这款导熔线设计采用与平头加导熔线设计一样的基本概念(就是:材料、熔接要求、工件大小).注意这款设计的壁厚要求最小尺寸为2㎜

4.3.2.沟槽式之熔接面设计

—这种设计的主要优点是能从裹外二面防止溢胶,并且可提供对位功能.由于熔胶被封,因此提高达到水气密的机会.也由于沟槽的设计需要一定的公差配合,因此也增加成型的困难度.同时,由于熔接面积的减少,往往造成它的熔接强度比不上平头接面设计，这款导熔线设计采用与平头加导熔线设计一样的基本概念(就是:材料、熔接加工要求、工件大小).注意这款设计的壁厚要求最小尺吋为2㎜

4.3.3.咬花面设计

--此设计是专为配合导熔线设计使用,熔接面有咬花形状可改善整体熔接质量和强度,原因在于粗糙面能增进摩擦与控制熔解(图3.).通常咬花深度0.076至0.152㎜,其变化视导熔线高度而定.往往得到的优点包括强度的增进、溢胶或微粒的减少、熔接时间的减短以及振幅的减低；

4.3.4.十字交叉熔接面设计

—在塑件的二熔接面上都设计导熔线并且使它们互呈垂直交叉,使初接触面减至最低并使大量的塑料熔接以增加熔接强度

(图4).这种导熔线的每一段尺寸可采取标准导熔线尺寸的60%左右.

若欲取得水气密的熔接效果,建议一方的导熔线设计采用如图5.所示之连续钩齿状.同时建议导熔线的顶角角度为600而非标准型的900,同时还建议把比钩齿状设计之导熔线设置在与焊头接触边的塑件上.应注意的是,此款设计将产生大量的溢胶,因此必须考虑溢胶的问题或采用有溢料槽设计的熔接面如沟槽式的熔接面设计

4.3.5.垂直于墙壁的导熔线设计

—用于增加抗撕裂与减少溢胶(图6),这种设计仅适用于只需要结构性的熔接而已;

4.3.6.间断的导熔线设计—

可减少熔接面积因此降低能量或所需的功率层级,这种设计只能用于非水气密的结构性熔接而已(图7);

4.3.7.凿子型导熔线

—为壁厚不及1.524㎜之工件所采用(图10.)如果在此等薄壁厚之塑件上使用标准导熔线,熔接强度将会减弱.尖刀处可采

0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接强度取决于导熔线之宽度,当采用此款导熔线设计时必须配合使用咬花面；

4.3.8.凿子型导熔线

—为壁厚不及1.524㎜之工件所采用(图8)如果在此等薄壁厚之塑件上使用标准导熔线,熔接强度将会减弱.尖刀处可采0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接强度取决于导熔线之宽度,当采用此款导熔线设计时必须配合使用咬花面；

4.3.9.特殊熔接面设计

—为了使较难熔接的塑料或外型不规则之塑件达到水气密熔接,可能需要使用弹性油封与旋绕道以阻隔熔胶之流动.图9.显示一种配合“O”型环的熔接面设计.有一要点应注意“O”型环在熔接完毕后只压缩10%至15%而已.柱状塑件与插孔(大头柱子熔接)亦可成功的配合“O”型环以达到水气密；

4.4. 剪切的设计注意点：

4.4.1.剪切式熔接面设计

—在熔接尼龙、乙缩醛、聚乙烯、聚丙烯和热塑性聚酯这类半晶型塑料时,采用导熔线设计有时是不能达到预期效果的.这是因为这类半晶型塑料在相对很狭窄的温度变化范围内迅速从固态再变回固态.导熔线熔化时还未来得及与对面塑件熔合即开始固化,因此熔接强度只赖由三角形之宽度所提供.因此当熔接以上塑料,如果外型许可的话的建议采用剪切式熔接面设计,可达到理想的熔接效果.

剪切式熔接面的熔接过程是,首先熔化开始接触的小面积材料,然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引入下工件裹头去(请观看图10).这种熔接方式绝对不会让四周的空气接触到熔解区域,因此可获得高强度的结构性或水气密的熔接.由于上述原因,剪切式熔接设计特别适用于半晶型塑料材料；

熔接强度与熔接面垂直向下的熔接面积有直接关系.强度可由改变熔接深度去达到个别应用的熔接要求.注意:若熔接强要求超过墙壁的接强,建议熔接深度为壁厚之1.25倍；

剪切式熔接需要有坚固的侧边墙壁支撑以避免熔接时变形.下工件的四周墙壁高度必须高至接口位置,内壁必须与工件外部型体完全吻合.上工件的整体结构也应十分坚固以防止内倾变形.

对于熔接部位在墙壁中央位置,可采用图11.所示的变体沟槽设计.这种设计也适用于大型塑件的熔接.建议采用单边干涉如

图12.所示

应当注意的是如果工件最大尺吋在89㎜或更大并且复杂或者有直角的转角就不宜采用剪切式熔接设计,因为这会给上下工件之间所必须保持的成型公差带来困扰.也就是难于保持稳定的熔接效果.在这种情况下只能建议采用导熔线设计.当只需要结构性熔接而已.(即不要求强度与水气密),可采用图13.所示的间断性的垂直导熔线设计.如此可减少整个熔接面积,也因此减少所需的能量或功率.伤痕出现的机会亦可大大的减少

图14提供干涉尺吋与工件尺吋公差对应于最大之工件外形尺吋

4.5. 熔接面设计的其它考虑：

1.直角转角会聚集应力.如果塑件上面有若干应力聚集点,在经过超音波机械振动后,塑件的高应力区域如转角、边沿与交界处可能出现断裂或其它的伤痕.补救的措施是尽量增加转角之圆弧度(0.508㎜).请参阅图15

2.塑件上的孔位或缺口像气孔类的开口会阻断焊头传送出来的超音波能量(图16).它对熔接的影响取决于塑件材料种类(尤其是半晶型塑料)和开口的大小，在缺口的正下方几乎没有办法熔接.当塑件上有缺口或有转弯形状,塑料将会阻碍能量的传导,使能量更难到达熔接面,尤其是剪切式熔接.在塑件设计过程当中应特别注意避免此类问题的发生.由于钢模设计不当造成塑件内出现气孔,这种情况也会使能量传导受阻或使塑件穿孔；

3.近场与远场熔接之对比一近场熔接指的是熔接面距离焊头接触位置在6.35㎜以内;大于6.35㎜的距离则为远场熔接(图

17),如上所述,因为半晶型分子结构塑料会阻碍振动能量的传导,所以难以对它们作远场熔接.至于非晶型塑料,由于分子随意排列,振动能量容易在其间传导并且衰减也很小.在低硬度塑料裹头也会发生振动能量的衰减现象.因此在设计塑料产品过

程当中应考虑到是否有足够的能量传达熔接面；

4.塑件的分肢,柄,或其它细节—机械振动会影响塑件内外表面上的各种突出物,可能造成断裂(图18.)下列各种措施能减低或消除这种影响:

․将突出物与主体连接处设计成最大的圆弧状.

․利用外加手段削减连接处的扭折.

․增加材料的厚度.

․评估采用其它频率的超音波

5.薄膜效应—一种能量聚集效应造成塑件出现烧穿现象.在平的圆形的、壁厚较薄的位置最为常见,通过采取下列一个或结合数个措施可以克服这种现象(图19)

․减少熔接时间

․改变振幅

․采用振幅剖析

․在焊头上设计节点活塞

․增加壁厚

․使用内部支撑肋骨

․评估其它频率

6.焊头接触与放置位置在塑件熔接时可扮演举足轻重的角色.一般而言,焊头的尺寸应该大到足以遮盖整个工作,因此从顶直接施压在熔接区域上,(图20.)这有利于机械振动能量的传导并可避免接触面留下伤痕.焊头或塑件的表面也可以在熔接区域凸起以增进接触的效能;如此将改善熔接效果的稳定度,注意:焊头与工件的接触面必须大于熔接区域的总面积,否则将有可能导至表面伤痕.

另：

１.相同熔点的塑料材质熔接强度愈强。

２.塑料材质熔点差距愈大，熔接强度愈小。

关于超声波结构的设计要点

３.塑料材质的密度愈高（硬质）会比密度愈低（韧性高）的熔接强度高。http://www.3d3d.cn/article/jgmj/2011-01-22/7888.html页码，8/8