塑料超声波焊接技术 下

第41卷 第10期
张胜玉 · 塑料超声波焊接技术（下）
图 19 带间断导能筋的剪切接头
图 20 焊瘤阱
图 21 剪切接头的变体形式
图 22 改进型接头
5.3 斜接接头
图 23 中的斜接接头通常用于包含圆形或椭
2015年 第41卷
图 23 斜接接头
圆形设计零件的高强度密封，尤其用于结晶性塑 料。斜接接头要求两零件的角度均在 30°~60° 之 间，相差值在 1.5° 以内。如果壁厚为 0.63 mm 或 更 小， 角 度 应 为 60°。 如 果 壁 厚 大 于 等 于 1.52 mm 角度应为 30°。壁厚在 0.63~1.52 mm 之间，推荐用中间角度。斜面外刃处壁厚至少 为 0.76 mm 以防止焊接过程中裂口或熔透侧壁。 由于难以保持零件同心度和尺寸公差，斜接接 头并不常用。但在有限壁厚使应用剪切（或改 进型）接头行不通时，高度推荐采用斜接接头。
厚。为了获得良好的剪切接头，必须满足下述 条件 ：
（1）剪切接头需刚性侧壁支撑以防止焊接 过程中产生弯曲。接头处底面侧壁必须受到紧 密符合零件外部形状的夹紧装置的支撑。
（2）下部零件应有足够的结构完整性以承 受内部弯曲。同理，下零件应至少有 2 mm 的 壁厚以防止弯曲。
（3）上下零件之间的过盈表面应平整和彼 此相互垂直。
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橡塑技术与装备（塑料版）
CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)
图 24 改进型斜接接头
图 25 包含焊瘤阱的斜接接头 （ 如 图 2 6 所 示 ）。 最 低 限 度 ， 所 有 角 落 或 边 缘 应
中 图 分 类 号 ：T Q 3 2 0 . 6 7 4
文 章 编 号 ：1 0 0 9 - 7 9 7 X ( 2 0 1 5 ) 1 0 - 0 0 0 7 - 0 9
文 献 标 识 码 ：B
DOI:10.13520/ki.rpte.2015.10.002
（接上期） 5.1.2 带导能筋的阶式接头
张胜玉 · 塑料超声波焊接技术（下）
塑料超声波焊接技术（下）
Plastic ultrasonic welding technology(Part 2)
张胜玉 ( 汉瑞普泽粉粒体技术（上海）有限公司，上海 201505)
摘 要 ：超 声 波 焊 接 是 最 常 用 的 塑 料 焊 接 技 术 ， 在 塑 料 加 工 业 久 享 盛 誉 。 由 于 焊 接 速 度 快 、 低 能 耗 、 焊 缝 质 量 一 致 性 与 再
收 稿 日 期 ：2 0 1 4 - 0 8 - 1 4
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图 7 阶式接头的变体
图 9 表面纹理
图 8 导能筋的榫槽接头
最高的。该接头设计在提供两零件之间对齐方 式的同时，有助于容纳内外部飞边。材料封闭 在槽中有助于获得密封接头。然而，需要保持 榫舌两侧的间隙增加了模塑的难度。
5.1.6 垂直于内壁的导能筋
如图 13 所示，用于增加抗剥离力及减少飞 边。该设计应用于只需结构封接的场合。
5.1.7 间断导能筋
如图 14 所示，用于减少总面积和所需的能 量和功率级或使零件压痕降至最少。仅用于需 结构（非气密）封接的场合。
第41卷 第10期
张胜玉 · 塑料超声波焊接技术（下）
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图 17 剪切接头
其 用 于 结 晶 性 塑 料。 初 始 接 触 限 于 狭 小 区 域， 通常是任一零件中的一个凹口或台阶。接触面 首先熔化，在零件套进时，沿着垂直壁继续熔 化。两熔化表面之间的涂抹作用消除漏隙和孔 穴，使之成为强密封的最佳接头。
5.1.9 专用接头
为了在不易焊接的树脂或不规则形状中实
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图 16 引入 O 形圈的接头设计
5.2 剪切接头
导能筋接头设计在某些情况下并不能在结 晶 性 塑 料 如 尼 龙、 乙 缩 醛、 聚 乙 烯、 聚 丙 烯、 热塑性聚酯中产生预期的结果。这是由于半结 晶性树脂在较窄的温度范围内很快地从固态转 变为液态，反过来一样。来自于导能筋的熔化 材料可能在与邻近接触面熔合之前再凝固。半 结晶性树脂焊缝强度可能局限于导能筋的底宽。 在几何形状允许的情况下，这些树脂推荐采用 如图 17 所示的剪切接头。结晶性塑料采用剪切 接头时由于产生熔化需较大的熔化面积，较高 能量必不可少。这需要较长的焊接时间或者较 大功率和较大振幅。图 17 中的剪切接头通常用 于包含尖角或矩形设计零件的高强度密封，尤
改进型斜接接头如图 24。图 25 所示斜接接 头中包含焊瘤阱以容纳零件焊接时产生的多余 熔化材料。阱的长度应至少等于待焊零件的截 面厚度。
5.4 接头设计其它考虑事项 5.4.1 尖角
尖角会造成应力集中。在具应力集中的模 制件承受超声机械振动时，在高应力区可能出 现 破 坏、 断 裂、 熔 化。 这 种 情 况 可 以 在 角 落、 边缘和交叉点具较大半径（0.508 mm）来改善
表 3 最大零件尺寸的过盈量和尺寸公差
最大零件尺寸 / mmБайду номын сангаас
＜ 18 18~38 ＞ 38
单边过盈量 （B）/ mm 0.2~0.254 0.254~0.356 0.356~0.457
零件尺寸公差 / mm
±0.025 ±0.050 ±0.075
就剪切接头来说，焊接的实现首先是通过 熔化小的初始接触面积，然后伴随零件套进沿 着垂直壁以可控过盈持续熔化。剪切接头提供 零件对齐和均匀的接触面积。在界面熔化区域 不允许与周围空气接触时，可以实现强的结构 或气密封接。由于这个原因，剪切接头尤其适 用于半结晶性树脂。焊接接头的强度随接头熔 降的垂直高度（焊接深度）而变化。焊接深度 可以调节以满足使用要求，一般为 0.75 倍的壁
现性好，该技术是包装、汽车、医疗、电气、电子、家用器具行业大批量生产应用的首选焊接技术。在论及超声波焊接原理
及过程、焊接设备、工艺参数、特点、应用、派生方法、最新进展，着重对焊接性、接头设计进行了概括和总结。
关 键 词 ：超 声 波 焊 接 ；焊 接 性 ；焊 头 ；导 能 筋 ；接 头 设 计 ；近 场 焊 ；远 场 焊 ；振 幅 分 阶 ；力 分 阶
5.1.3 带导能筋的榫槽接头
图 8 是带导能筋的榫槽接头。该接头主要 用于扫描焊接、零件自定位和防止内外部飞边。 该接头结合强度是迄今为止讨论的三种接头中
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图 6 带导能筋的阶式接头
作 者 简 介 ：张 胜 玉 （ 1 9 7 0 - ）， 男 ， 高 级 工 程 师 ， 毕 业 于上海交通大学材料科学及工程系焊接专业，工学学士。已 发表论文 10 余篇，其中《塑料激光焊接》在第三届华中地 区 科 学 技 术 推 广 大 会 荣 获 二 等 奖 ，《 搅 动 摩 擦 焊 原 理 及 应 用 》 被中国高科技产业化研究会评为一等奖，研究方向为塑料及 复合材料焊接，焊接新技术新工艺。
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图 18 榫槽接头的变体形式
在焊接仅需结构焊缝（不要求强度或气密 封接）的零件时，使用如图 19 所示带间断导能 筋的剪切接头。该设计减少了总面积，降低焊 接零件所需的能量和功率。对零件造成压痕的 可能性也降至最小。
由于焊接大量的树脂，剪切接头所需的焊 接时间为其它接头设计的 3~4 倍，焊后表面可 见到一定数量的飞边。如果出于美学或功能方 面的原因，飞边不可接受，应引入类似图 20 中 的 焊 瘤 阱 （ 溢 料 槽 ）。 图 2 1 是 剪 切 接 头 的 变 体 形式。图 22 所示的改进接头应考虑用于大型零 件或上部件深而软的零件。
剪 切 接 头 的 几 个 重 要 方 面 应 加 以 考 虑 ：① 上 部 零 件 应 尽 可 能 薄 ；② 外 壁 应 受 到 夹 紧 装 置 的 良 好 支 撑 ；③ 设 计 应 考 虑 到 动 配 合 ；④ 应 包 含引入端。
表 3 给出了相对于最大零件尺寸的过盈量 和零件公差的一般性指南。
5.1.4 纹理表面
如图 9 所示，在配合件上模制纹理表面通 过增强摩擦性和熔化控制有助于提高整体焊接 质 量 和 强 度。 通 常 纹 理 深 0.076~0.152 mm， 依导能筋的高度相应变化。纹理表面通过阻止 导能筋的左右移动增强表面摩擦，纹理形成的 峰谷也成为阻止熔体流出接头区域的障碍，飞 边或微粒减少，有更大的表面积用于连接。焊 缝强度可能达到无纹理表面的三倍，所需的焊 接总能量减少，对振幅要求也更低。
图 6 是带导能筋的阶式接头。该接头容易 模制，用最小的工作量可获得强而整齐的接头。 由于塑料流入垂直间隙，阶式接头通常比对接 接头强度高。阶式接头剪切强度及拉伸强度都 很好，通常用于需要良好表面外观的场合。阶 式接头用于对齐，适用于外露面过量熔体和飞 边不可接受的场合。阶式接头推荐用于壁厚至 少 2 mm 时。在焊接结晶性塑料时，应使用 60° 夹角的导能筋而不是 90° 的。图 7 是基本阶式 接头设计的各种变体形式。
图 11 锯齿导能筋 图 12 圆形零件导能筋
图 15 錾式导能筋
现气密封接，也许有必要使用压缩封接或熔体 流动的迂回路径。图 16 中所示是引入 O 形圈 的接头设计。O 形圈只能在焊缝端部，最大压 缩量为 10%~15%。销和插座（螺栓焊）使用 O 形圈设计也可获得良好结果。
图 13 垂直于内壁的导能筋
图 14 间断导能筋
5.1.8 錾式导能筋
如图 15 所示，一般用于标称厚度小于等于 1 . 5 2 4 m m 时 。 如 果 用 普 通 的 导 能 筋 ，会 太 小（ 高 度 小 于 0 . 2 5 4 m m ）， 造 成 焊 缝 强 度 较 低 。 刃 口 可以高 0.381~0.508 mm，角度为 45°。錾式导 能筋的另一优点是它能置于台阶的内侧边并确 保不会滑离狭窄的焊接台肩。此外，它还可用 于引导熔化材料流动远离开口处。由于焊缝强 度局限于焊缝宽度，在用该设计时，总是包含 纹理表面。