超聲波焊接導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)
焊接面有導(dǎo)熔線和剪切兩種主要設(shè)計(jì)類形.
超聲波導(dǎo)熔線：
超聲波導(dǎo)熔線實(shí)際上是在二熔接面之一上形成一條三角形凸出材料，導(dǎo)熔線的基本作用是聚集能量并且迅速把要熔接的另一面熔解，導(dǎo)熔線能快速熔解并達(dá)到最高的熔接強(qiáng) 度，原因是導(dǎo)熔線本身的材料熔解并且流到整個(gè)熔接區(qū)域，導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)是非晶型材料所采用最廣泛的熔接面設(shè)計(jì)，當(dāng)然半晶材料亦可采用這種設(shè)計(jì).
導(dǎo)熔線的尺寸和位置取決于以下因素:
1.材料;
2.熔接要求;
3.工件大小;
導(dǎo)熔線必須愈尖愈好,圓頂或扁平的導(dǎo)熔線將減低熔膠流動(dòng)的效率,當(dāng)熔接相對容易熔接的塑料(如高硬度和低熔解溫度的PS),建議導(dǎo)熔線的高度不可低于 0.25㎜,若熔接半晶型或高熔解溫度之非晶型塑料(如PC),導(dǎo)熔線高度不可低于0.5㎜;對于采用導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)的半晶型塑料(如PA),熔接強(qiáng)度是來自 導(dǎo)熔線三角型的底線之寬度.頂角隨壁厚而改變;原則上導(dǎo)熔線設(shè)置在哪一邊的塑件的熔接面上是沒有任何分別的.但在熔接兩種不同材料的特殊情況下,一般上是 將導(dǎo)熔線設(shè)置在熔解溫度和硬度較高的那一邊的工件的熔接面上;導(dǎo)熔線的設(shè)計(jì)要有能相互對位的功能如插針與插孔,肋狀對位片,溝槽設(shè)計(jì),或需要良好的支撐. 熔接區(qū)域不可放置頂針;
下面是幾種比較典型的導(dǎo)熔線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
階梯熔接面
一階梯熔接面設(shè)計(jì)主要用于需要精確對位與完全不可接受過熔或溢膠出現(xiàn)在外露表面的高質(zhì)量要求上；
設(shè)計(jì)注 意(圖1.)圍繞整個(gè)工件接口之額外0.25至0.64㎜的空隙,這新增的“影線(美工線)”設(shè)計(jì)特性使熔接完畢后接口四周將出現(xiàn)0.25至0.64㎜之 空隙.如此會(huì)產(chǎn)生美觀的效應(yīng),因?yàn)楣ぜc工件之間的變形不易被發(fā)覺.如果完全密合,很可能會(huì)在某些位置出現(xiàn)溢膠,在別的位置卻出現(xiàn)微隙;美工線的設(shè)置使微 小的變形不易被察覺.這款導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)采用與平頭加導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)一樣的基本概念(就是:材料、熔接要求、工件大小).注意這款設(shè)計(jì)的壁厚要求最小尺寸為2㎜
溝槽式之熔接面設(shè)計(jì)
—這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是能從裹外二面防止溢膠,并且可提供對位功能.由于熔膠被封,因此提高達(dá)到水氣密的機(jī)會(huì). 也由于溝槽的設(shè)計(jì)需要一定的公差配合,因此也增加成型的困難度.同時(shí),由于熔接面積的減少,往往造成它的熔接強(qiáng)度比不上平頭接面設(shè)計(jì)，這款導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)采用 與平頭加導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)一樣的基本概念(就是:材料、熔接加工要求、工件大小).注意這款設(shè)計(jì)的壁厚要求最小尺吋為2㎜
咬花面設(shè)計(jì)
--此設(shè)計(jì)是專為配合導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)使用,熔接面有咬花形狀可改善整體熔接質(zhì)量和強(qiáng)度,原因在于粗糙面能增進(jìn)摩擦與 控制熔解(圖3.).通常咬花深度0.076至0.152㎜,其變化視導(dǎo)熔線高度而定.往往得到的優(yōu)點(diǎn)包括強(qiáng)度的增進(jìn)、溢膠或微粒的減少、熔接時(shí)間的減短 以及振幅的減低；
十字交叉熔接面設(shè)計(jì)
—在塑件的二熔接面上都設(shè)計(jì)導(dǎo)熔線并且使它們互呈垂直交叉,使初接觸面減至最低并使大量的塑料熔接以增加熔接強(qiáng)度(圖4).這種導(dǎo)熔線的每一段尺寸可采取標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熔線尺寸的60%左右.
若 欲取得水氣密的熔接效果,建議一方的導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)采用如圖5.所示之連續(xù)鉤齒狀.同時(shí)建議導(dǎo)熔線的頂角角度為600而非標(biāo)準(zhǔn)型的900,同時(shí)還建議把比鉤齒 狀設(shè)計(jì)之導(dǎo)熔線設(shè)置在與焊頭接觸邊的塑件上.應(yīng)注意的是,此款設(shè)計(jì)將產(chǎn)生大量的溢膠,因此必須考慮溢膠的問題或采用有溢料槽設(shè)計(jì)的熔接面如溝槽式的熔接面 設(shè)計(jì)
垂直于墻壁的導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)
—用于增加抗撕裂與減少溢膠,這種設(shè)計(jì)僅適用于只需要結(jié)構(gòu)性的熔接而已;
間斷的導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)—
可減少熔接面積因此降低能量或所需的功率層級,這種設(shè)計(jì)只能用于非水氣密的結(jié)構(gòu)性熔接而已(圖7);
鑿子型導(dǎo)熔線
—為壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖10.)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熔線,熔接強(qiáng)度將會(huì)減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接強(qiáng)度取決于導(dǎo)熔線之寬度,當(dāng)采用此款導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)時(shí)必須配合使用咬花面；
鑿子型導(dǎo)熔線
—為壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖8)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熔線,熔接強(qiáng)度將會(huì)減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接強(qiáng)度取決于導(dǎo)熔線之寬度,當(dāng)采用此款導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)時(shí)必須配合使用咬花面；
特殊熔接面設(shè)計(jì)
—為了使較難熔接的塑料或外型不規(guī)則之塑件達(dá)到水氣密熔 接,可能需要使用彈性油封與旋繞道以阻隔熔膠之流動(dòng).圖9.顯示一種配合“O”型環(huán)的熔接面設(shè)計(jì).有一要點(diǎn)應(yīng)注意“O”型環(huán)在熔接完畢后只壓縮10%至 15%而已.柱狀塑件與插孔(大頭柱子熔接)亦可成功的配合“O”型環(huán)以達(dá)到水氣密；
剪切的設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：
剪切式熔接面設(shè)計(jì)
—在熔接尼龍、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯和熱塑性聚酯這類半晶型 塑料時(shí),采用導(dǎo)熔線設(shè)計(jì)有時(shí)是不能達(dá)到預(yù)期效果的.這是因?yàn)檫@類半晶型塑料在相對很狹窄的溫度變化范圍內(nèi)迅速從固態(tài)再變回固態(tài).導(dǎo)熔線熔化時(shí)還未來得及與 對面塑件熔合即開始固化,因此熔接強(qiáng)度只賴由三角形之寬度所提供.因此當(dāng)熔接以上塑料,如果外型許可的話的建議采用剪切式熔接面設(shè)計(jì),可達(dá)到理想的熔接效 果.
剪切式熔接面的熔接過程是,首先熔化開始接觸的小面積材料,然后沿著壁面繼續(xù)垂直向下而有控制的導(dǎo)引入下工件裹頭去(請觀看圖10).這種熔 接方式絕對不會(huì)讓四周的空氣接觸到熔解區(qū)域,因此可獲得高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性或水氣密的熔接.由于上述原因,剪切式熔接設(shè)計(jì)特別適用于半晶型塑料材料；
焊接面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
那超聲波焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最重要的就是熔接面的設(shè)計(jì)。
為了獲得可接受的、穩(wěn)定性高的熔接效果,必需遵循下述三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
1. 兩熔接面的最初接觸面積必須減小，以降低初期與最后的完全熔化所需要的總能量，使 焊頭與工件的接觸時(shí)間降低至最少因而減低造成傷痕的機(jī)會(huì)，也因此減少溢膠；
2. 提供一種能使二熔接面相互對位的方式，在搭配塑件的設(shè)計(jì)中可采用插針與插孔，階梯或溝槽的方式，而不應(yīng)采用固定在焊頭或底模內(nèi)的方式，這樣可確保準(zhǔn)確與穩(wěn)定的對位并避免造成傷痕；
3. 整個(gè)熔接面必須均勻一致與緊密接觸，盡可能保持在同一平面，這樣的形狀能使能量均勻傳導(dǎo)，有利于取得一致的與可控制的熔接效果，并且能減低溢膠產(chǎn)生的可能性；
熔接強(qiáng)度與熔接面垂直向下的熔接面積有直接關(guān)系.強(qiáng)度可由改變?nèi)劢由疃热ミ_(dá)到個(gè)別應(yīng)用的熔接要求.注意:若熔接強(qiáng)要求超過墻壁的接強(qiáng),建議熔接深度為壁厚之1.25倍；
剪切式熔接需要有堅(jiān)固的側(cè)邊墻壁支撐以避免熔接時(shí)變形.下工件的四周墻壁高度必須高至接口位置,內(nèi)壁必須與工件外部型體完全吻合.上工件的整體結(jié)構(gòu)也應(yīng)十分堅(jiān)固以防止內(nèi)傾變形.
對于熔接部位在墻壁中央位置,可采用圖11.所示的變體溝槽設(shè)計(jì).這種設(shè)計(jì)也適用于大型塑件的熔接.建議采用單
應(yīng)當(dāng)注意的是如果工件最大尺吋在89㎜或更大并且復(fù)雜或者有直角的轉(zhuǎn)角就不宜采用剪切式熔接設(shè)計(jì),因?yàn)檫@會(huì)給上 下工件之間所必須保持的成型公差帶來困擾.也就是難于保持穩(wěn)定的熔接效果.在這種情況下只能建議采用導(dǎo)熔線設(shè)計(jì).當(dāng)只需要結(jié)構(gòu)性熔接而已.(即不要求強(qiáng)度 與水氣密),可采用圖13.所示的間斷性的垂直導(dǎo)熔線設(shè)計(jì).如此可減少整個(gè)熔接面積,也因此減少所需的能量或功率.傷痕出現(xiàn)的機(jī)會(huì)亦可大大的減少
提供干涉尺吋與工件尺吋公差對應(yīng)于最大之工件外形尺吋
熔接面設(shè)計(jì)的其它考慮：
1.直角轉(zhuǎn)角會(huì)聚集應(yīng)力.如果塑件上面有若干應(yīng)力聚集點(diǎn),在經(jīng)過超音波機(jī)械振動(dòng)后,塑件的高應(yīng)力區(qū)域如轉(zhuǎn)角、邊沿與交界處可能出現(xiàn)斷裂或其它的傷痕.補(bǔ)救的措施是盡量增加轉(zhuǎn)角之圓弧度(0.508㎜).請參閱圖15
2. 塑件上的孔位或缺口像氣孔類的開口會(huì)阻斷焊頭傳送出來的超音波能量(圖16).它對熔接的影響取決于塑件材料種類(尤其是半晶型塑料)和開口的大小，在缺 口的正下方幾乎沒有辦法熔接.當(dāng)塑件上有缺口或有轉(zhuǎn)彎形狀,塑料將會(huì)阻礙能量的傳導(dǎo),使能量更難到達(dá)熔接面,尤其是剪切式熔接.在塑件設(shè)計(jì)過程當(dāng)中應(yīng)特別 注意避免此類問題的發(fā)生.由于鋼模設(shè)計(jì)不當(dāng)造成塑件內(nèi)出現(xiàn)氣孔,這種情況也會(huì)使能量傳導(dǎo)受阻或使塑件穿孔；
3.近場與遠(yuǎn)場熔接之對比一近場熔接指 的是熔接面距離焊頭接觸位置在6.35㎜以內(nèi);大于6.35㎜的距離則為遠(yuǎn)場熔接(圖17),如上所述,因?yàn)榘刖头肿咏Y(jié)構(gòu)塑料會(huì)阻礙振動(dòng)能量的傳導(dǎo),所 以難以對它們作遠(yuǎn)場熔接.至于非晶型塑料,由于分子隨意排列,振動(dòng)能量容易在其間傳導(dǎo)并且衰減也很小.在低硬度塑料裹頭也會(huì)發(fā)生振動(dòng)能量的衰減現(xiàn)象.因此 在設(shè)計(jì)塑料產(chǎn)品過程當(dāng)中應(yīng)考慮到是否有足夠的能量傳達(dá)熔接面；
4.塑件的分肢,柄,或其它細(xì)節(jié)—機(jī)械振動(dòng)會(huì)影響塑件內(nèi)外表面上的各種突出物,可能造成斷裂(圖18.)下列各種措施能減低或消除這種影響:
將突出物與主體連接處設(shè)計(jì)成最大的圓弧狀.
利用外加手段削減連接處的扭折.
增加材料的厚度.
評估采用其它頻率的超聲波
薄膜效應(yīng)—一種能量聚集效應(yīng)造成塑件出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象.在平的圓形的、壁厚較薄的位置最為常見,通過采取下列一個(gè)或結(jié)合數(shù)個(gè)措施可以克服這種現(xiàn)象(圖19)
減少熔接時(shí)間
改變振幅
采用振幅剖析
在焊頭上設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)活塞
增加壁厚
使用內(nèi)部支撐肋骨
評估其它頻率
超聲波模具接觸與放置位置在塑件熔接時(shí)可扮演舉足輕重的角色.一般而言,焊頭的尺寸應(yīng)該大到足以遮蓋整個(gè)工作,因此從頂直接施壓在熔接區(qū)域上,(圖20.)這有 利于機(jī)械振動(dòng)能量的傳導(dǎo)并可避免接觸面留下傷痕.焊頭或塑件的表面也可以在熔接區(qū)域凸起以增進(jìn)接觸的效能;如此將改善熔接效果的穩(wěn)定度,注意:焊頭與工件 的接觸面必須大于熔接區(qū)域的總面積,否則將有可能導(dǎo)至表面?zhèn)?
１.相同熔點(diǎn)的塑料材質(zhì)熔接強(qiáng)度愈強(qiáng)。
２.塑料材質(zhì)熔點(diǎn)差距愈大，熔接強(qiáng)度愈小。
３.塑料材質(zhì)的密度愈高（硬質(zhì)）會(huì)比密度愈低（韌性高）的熔接強(qiáng)度高。
超聲波焊接應(yīng)用原理：
利用超聲波振動(dòng)頻率，接觸摩擦產(chǎn)生熱能使塑料熔融而結(jié)合，依目前較普遍的，即為每秒振動(dòng)二萬次﹙２０ＫＨＺ﹚與每秒振動(dòng)１．５萬次﹙１５ＫＨＺ﹚二種（另外尚有數(shù)種特殊振動(dòng)頻率）。
超聲波焊接機(jī)結(jié)構(gòu)
一般來說，在設(shè)計(jì)超聲波結(jié)構(gòu)之前，需考慮
· 選擇什么塑料
· 是否只需要結(jié)構(gòu)性的熔接,如果需要的話，要求它能承受多少壓力
· 是否需要水氣密
· 是否有外觀上的要求
· 是否允許有任何溢膠微粒的產(chǎn)生
· 是否還有其它特殊要求等問題。
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