塑料件连接 焊接

2-5 组装设计(Assembly desigh)

由于塑料材料之多变化性，遂使得组装塑料零件的方法五花八门，一般大概可分为机械组装，溶剂组装，黏著剂组装及焊接组装等四种。表2-5为一般常用材料其各种组装法好坏之比较。

2-5-1 机械组装(mechanical assembly)

以机械性的方法来连接塑料品是组装中最基本的方法，部份原因是因此方法在金属工业上已使用经年。机械组装基本上可分为接合法(fits)及扣接法(fasteners)，其好处为成本低，可重复使用，接装速度快且效果良好。但质软易变形的材料加LDPE及硬而脆的材料皆不适宜用扣接法。接合法一般可分为迫紧法(snap-fits)、压紧法(press-fits)及打桩法(staking)，扣接法则有具螺纹之螺丝(screw)、螺丝加螺帽(nut)与夹箍(clips)、铆接(riviting)等。

2-5-1-1 迫紧法

迫紧法为一简单，快速及具高效性的方法，它能应用于任何材料之连接。一个好的迫紧设计将不会承受负载，所以其扣合力量不会随时间而减少或因震动的影响而松弛。最常见的迫紧法为悬桁式如图2-38所示。

PC材料最适宜用此方法，因其具低的模子收缩度，高抗蠕变及整体的尺寸安定性。

对一具定横切矩形面积的悬桁梁，其可容许之歪斜量计算如下：

y＝2 3×εl2 h (2-2)

其中：y＝最大之歪斜量

ε＝最大之变形率

l＝梁之长度

h＝梁之厚度

从模具顶出时或是在组装时，歪斜量部不应该超出其最大值而损其结构。若欲增加其可容许之歪斜量，最好之方法是增加梁之长度或减少其厚度。可容许之歪斜量亦与可容许之变形量(ε)息息相关。一般而言，一个简单的迫紧装置，其可容许之变形量为4％，若此装置常须组合与拆却，则

变形量应为其之60％即2.4％。

式2-3为弯曲悬桁而达倾斜量y所须横轴歪斜力P之计算方式：

P＝B·h2 6×Es·ε l (2-3)

其中：Es＝正割模数(secant modulus)，其定义如图2-39所示。

ε＝变形量

B＝宽度

h＝厚度

l＝梁之长度

为了组合迫紧装置，必须克服歪斜力(P)及摩擦力(μ)，因此于梁底部经由导角可算得组合力(w)如式2-4。w＝P(μ＋tanα 1－μtanα) (2-4)

其中：w＝组合力

P＝歪斜力

μ＝摩擦系数（如表2-6所示）

α＝导角

而〔μ＋tanα 1－μtanα〕可直接从图2-40得知。

当设计分别的接合处时，拆卸力之计算方法犹如式2-3一样，只是将回角(α)取代导角(α1)如图2-41所示。

角度愈小，愈容易组合与拆卸，当角度近于90°时，此装置愈有自动扣锁之趋势。

欲增加悬桁之最大容许歪斜量，有一个好方法就是从梁底部到钩钩处，将其厚度(h)或宽度(b)慢慢变小即锥度化(taper)。如此，可使应力之分布更平均及节省材料。例如，将梁厚度锥化成原来之一半，其它变量保持不变，则其最大歪斜容许量可超过原来均匀厚度梁之60％。

将梁之厚度或宽度斜度化，式(2-1)将变成如式(2-5)：

y＝1.09K·εl2 h (2-5)

其中K为比例常数，可从图2-42，图2-43中查得。

2-5-1-2 压紧法

压紧法是最简单的接合方法，不仅快速且成本低，但却往往最易出问题。设计压紧装置时，一定要确保支撑力能够大到足以组合而又不会造成应力过分的集中，其影响因素有三：

1. 压紧设计须要紧密的制造公差。

2. 所用材料之硬度与韧度。

3. 随著时间的增长，所造成塑品的蠕变及应力松弛。

当用压紧法接合两坚硬材质时，如下例及图2-44所示，一定要将两材料之互相影响度(interference)减到最小，以保接合应力在可容许之范围内。

【例】一钢铁杆压紧于一PC毂力，我们必须定出最大的铁杆直径及最小的毂内径，以免围绕应力(hoop stress)超过应用PC时所容许之应力范围。决定PC的直径影响度可由图2-45求出。

杆直径毂外径＝0.250" 0500"＝0.5

代入图2-45，可得

影响度＝8 mils 杆直径 in

∴直径影响度＝0.008×0.250＝0.002in

因此，毂内径应为0.250－0.002＝0.248in

毂壁厚为(0.50.248)/2＝0.126in

方是理想的压紧设计

另外一个影响压紧设计的重要因素为材料之蠕变与庄应力松弛，消除此现象之发生可在杆上刻以纹路，当组合后，塑料随著时间之增长会冷流至刻纹上而仍保有相当的接合力。上述之法，对高硬度之材料较为无效，对较软质材料如PE，PP则极具功效。

2-5-1-3 扣接法

1. 螺钉

螺钉系指与螺纹孔组合，但无螺帽的小螺杆。螺钉头有圆头及平头两种，均有沟槽以利起子的旋转安装，可称为自攻式螺钉(self-tapping screw)，其有两种类型：一为成形螺纹式(thread-forming screw)，另

一为切削螺纹式(thread-cutting screw)如图2-46所示。

成型螺纹钉一般用于热塑性塑料，而热固性塑料因为较脆，用成形螺纹钉会导致其变形，所以须用具切构的切削螺纹式螺钉。图2-47为一般在设计浮凸物与自攻式螺钉时所须之规格。

·浮凸物之内径(d)应小于螺钉螺纹之直径。

·浮凸物之外径应为螺钉直径(D)之2到2.5倍。

·不管浮凸物是全穿孔或半穿孔，都会在安装时造成充分的熔流，所以半穿孔底下之厚度应该与壁厚相等。

2. 螺钉附螺帽(nut)或夹箍(clips)

穿过塑品之螺钉能够藉由螺帽或夹箍加以固定之。此法可以应用至复杂物之组装而且不会因对塑品产生扭矩而造成影响。要注意当设计连接两塑品时，由于空隙之减少，使得原来之拉伸负荷变为压缩负荷，而减少拉伸应力会造成破坏，所以留些空间以克服此问题是必要的，如图2-48所示。

另外当组合用于轻负荷时，可用快速螺母如图2-49所示，以节省时间与成本。其只须使用极小之转矩即可锁紧，常被应用于防震之组合物件上。

若螺母无法直接固定于其它物件上时，则可用如图2-50所示之地脚螺母(anchor nut)。

3. 埋入螺纹(molded-in threads)

在成形时可预埋入螺纹件而达固定，虽然成形周期会延长且有时会损伤模具，但所节省的二次加工却是其吸引人之处。埋入件在成形后不可脱落或偏移，所以埋入件之热膨胀系数最好与塑料材料相近，如铝与聚

碳酸酯(PC)。若两者相差太多，则埋入件最好增大肉厚以达补强之效果，如图

2-51所示。

4. 铆钉(rivet)

利用铆钉组合塑件为一种有效且低成本的方法。一般可分为下列几种类型如图2-52所示。

须注意铆钉孔之位置至少须离塑物边缘有三倍于铆钉直径的距离。另外如图2-53所示，掣子(clinch)之裕度至少须为铆钉直径的6 10或7 10。因为若过短，其负荷力会减弱；而若过多，则将造成铆钉之弯折。

2-5-2 溶剂接著(solvent bonding)

溶剂接著法乃用来连接同性质之非结晶性塑料，其方法为溶剂对两接合面先行侵蚀溶解，再将两接合面压紧直到溶剂蒸发后，便完成黏接。若两接合物表面靠得不是很紧密，或接触良好但有间隙时，则须在溶液接合物使用前，先溶入适量之母体树脂再予以使用。这些接著法所用之溶剂因树

脂之种类而异，如表2-7。

通常溶剂型之接著，其强度较差。因为接触面系因溶剂的蒸发作用而达成，常产生收缩应力或瑕疵。

2-5-3 黏著剂接著(adhesive bonding)

黏著剂是用来黏贴接合物表面的一种物质，依接著性质不同之树脂，塑料－金属，木材等时，各有适当之接著剂如下：

1. 橡胶系接著剂

常用于接著极性低之塑料、金属、橡胶、木材等。最适于接著苯乙烯系树脂。

2. 环气系接著剂

主要用于接著各种热硬化性树脂或接著塑料－金属，玻璃、木材等。环氧系接著剂在性质上适于黏合硬质

而厚肉之材料，一般分为主剂与硬化剂两液型，两剂混合后，由于在常温接著时之硬化时间颇长，故通常于60～100℃加热数小时，以缩短硬化时间，增大接著力。环氧树脂的黏接层强

度与其厚度无关，故除了作接著剂外，亦可作为气泡填充物用。

3. 其它型之接著剂

除了上述之外，另有乙烯基系，聚酯系，酯系及异氰酸盐系等。另外如PE，PP，PTFE等树脂，由于化学安定性优，不容易直接接著，可用溶剂清拭后，以硫酸或重铬酸盐溶液作预备处理，再用橡胶系接著剂或环氧系接著剂等接著，但其接著力仍非很令人满意。

2-5-4 焊接组装(welding assembly)

焊接组合可分为熔接(welding)与缝接(sealing)两种。熔接系为断面较厚塑件之焊接，而缝接是为塑料膜与片之缝合。因为热塑性塑料可加热软化，所以将用于金属材料之气焰焊接技术稍加修正，即可使用之，如气焰枪，其方法为使用来自焊枪之空气或氮气火焰，加热塑物要熔接之边缘部份，并以同一塑料的押出塑料棒作为接著材料。一般而言，塑料材料之焊接速率较金属材料之焊接为慢，约为每分钟1至2.5寸。塑料焊条之标准直径共有1 16，3 32，1 8，5 32及3 16寸五种，各种形状皆有，其中三角形断面焊条最适于V形槽之单焊道焊接。焊接接头之型式依焊接物搭接之方式而定，常见之有6种如图2-54所示。

2-5-4-1 熔接法又可分为下列几种

1. 触热熔接法：乃将欲速接之两条合物表面与已加热之金属表面接触，当接合表面充分软化后，迅速的轻度施以压力而接合之。一般加热工具之表面常覆以铁弗龙镀层，使热塑性塑料在接触加热时，不致于黏附在加热工具上。

2. 旋转熔接法：此乃一塑件在旋转后与另一塑件磨擦产生热量，稍加压力后，热量使得接头处熔化而连接

成一体，此法最适于中空圆状或实体塑料棒之对头焊接，如图2-55所示：

3. 热线熔接法：乃在两热塑性塑料件之间，置入高电阻线如镍铬线，接通电流，热量软化接合面表层后，施以压力，即可将两塑件连接。若我们欲得更强之接著，可把电阻线绕成如图2-56所示之曲形，以增大熔

融之接触面积。

4. 超音波熔接法：使用之音波频率至少2万周／秒，利用振动产生热量来熔化连接之。振动用之工具，一般称之为尖角(horn)，其材料为钛，有楔形或圆锥形两种，将之与欲焊接之塑件抵紧，而尖角尖必须与焊接零件之外形相同。有些热塑性胶无法用超音波熔接法，如乙烯族类(vinyls)与各种纤维素塑料。超音波熔接之时间，依各类塑料之熔点高低而定，熔点愈高，时间愈长。

图2-57为利用超音波熔接法所适用之接头例子，须注意三角形之能量导块(energy director)，须能够产生足够之热能并平均分布在接合面上而成为连接头。

2-5-4-2 缝接法

1. 热缝合：用于热塑性塑料薄膜之接合，应用在包装工业上非常重要。其缝合形式约有四种如图2-58所示。

重迭缝合主要被用于连接两片宽大之塑料薄膜，尤其是须要接头高强度但不重外观时。阶梯式缝合则可得立体之装饰效果，阶梯愈多，效果愈佳。易撕式缝合是为了便于在塑料包装之减缩面处撕裂，常用于超市之食品包装。

2. 介电质缝合法(dielectric sealing)：其法为将欲缝合之塑件置于两电极或缝合棒间，做为一个介电质，然后传递高周波电流至塑件上以产生足够之缝合压力。要注意的是，并非所有的热塑性塑料皆可用此法缝接，如PE，PP，PS，PC与铁弗龙等因不具适当之电性质，好比介电常数与损失因数，故不适用于此法。因介电质缝合法能在接头范围内，均匀且快速的产生热量，并且不会在接合面上产生过热现象。所以，此法特别适用于对热量敏感性材料之连接。