超声波结构的设计介绍

关于超声波结构的设计要点

一、超音波应用原理：

超声波焊接是一种快捷、干净、有效的装配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件，超声波焊接不但有连接装配功能，而且具有防潮、防水的密封效果。

超声波焊接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50/60HZ的电频转变成20HZ或40HZ 的高频电能，供应给转换器。转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波焊接机的焊头（焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置）。振动通过焊接工作件传给粘合面振动摩擦产生热能使塑胶熔化，振动会在熔融状态物质达到其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键。整个周期通常不到一秒便完成。

二、超声波结构

一般来说，在设计超声波结构之前，需考虑

∙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等问题。

焊接件的品质主要通过以下几个方面的控制来获得

∙材质

∙焊接的位置和设计

∙焊接面的大小

∙焊头与塑胶件的接触面

∙顺畅的焊接路径

∙底模的支撑

三、焊接塑胶件结构要求

1）塑胶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，一般压力是2～6kg/cm2。所以塑胶件必须保证在加压的情况下基本不变形

2）如果一个注塑出来的零件出现应力非常集中的情况，比如尖角位置，在超声波的作用下会产生断裂，这种情况考虑在尖角位置加R角

3）注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因为超声波振动产生影响而断裂或脱落，通过在附属物与主体相交的位置加一个大R角或加加强筋

4）如果被焊头接触的零件有孔或其它开口，则在超声波传送过程中会产生干扰和衰减，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，因此应尽量避免

5）对焊头接触的塑胶件形状中，如果有薄而弯曲的结构，而且需要用来传送超声波能量，特别是对半晶体材料，超声波振动很难传送到加工面，对这种设计应尽量避免

三、熔接面的设计准则

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；

四、熔接面的设计

熔接面主要有导熔线和剪切两种类形

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。

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0.25mm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0.5mm

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；

下面是几种比较典型的导熔线的结构设计：

1）基本型（三角型焊面）

在两块焊接塑胶面一边，沿着焊面，加一条三角形的凸边，凸边将超声波振动聚集在三角的尖端，由此减少焊接的接触面积，而形成集中的超声波能量，溶解的塑胶均匀的流满焊接面，产生强的结合力，而且大大的减短了焊接时间

2）阶梯熔接面

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；围绕整个工件接口增加0.25至0.64mm空隙，这新增的美工线设计特性使熔接完毕后接口四周将出现0.25至0.64mm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。

3）沟槽式之熔接面设计

这种设计的主要优点是能从里外两面防止溢胶，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。

4）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。通常咬花深度0.076至0.152mm，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

5）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，如图显示一种配合“O”型环的熔接面设计，“O”型环在熔接完毕后只压缩10%至15%。

4.2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“半晶性“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”半晶性“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，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里头去。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。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。