塑料超声波焊接线设计

一.前言

　　超声波焊接技术是热塑性塑料可采用的一种焊接工艺。由于超声波焊接工艺对大批量生产具有加工速度快,可重复焊装的特性而得到普及。只有严格按照超声波焊接工艺和塑胶材料特性设计的超声波焊接线,才能获得强度和外观均佳的焊接件。在此不介绍超声波焊接原理,因有专著叙述。本文专门对焊接件的设计,特别是焊接连接部分即超声波焊接线的设计作实践性的介绍,操作者根据这些情况可避免产生焊接不良品。

　　焊接件设计者根据这些情况,一开始就要考虑采用超声波焊接。这样就可避免采用其他工艺而在加工时引起的麻频。在设计注射模和出模时,就要开始要考虑到超声波焊接工艺,避免最后因为工艺设计问题而去修改塑胶模具,这样是很花钱的,有时因时间很紧甚至采用折中的办法，这都是让人很烦恼的事情。按照超声波焊接技术的要求来设计产品,不仅要了解超声波焊接工艺的知识,而且还要了解被加工材料的特性。以下所介绍的内容,对焊缝设计是非常重要的。

二. 超声波焊接工艺步骤

　　在超声波焊接中,在压力下,机械振动传递到塑件上。由分子间的摩採产生热量,并使材料的阻尼率增加,则该区域的塑料就开始软化。由于阻尼系数增加,该反作用力产生自激,只要增加部分振荡能量就转换成热量。接口部分得好后,需要有一段冷却时间,然后才可对产品进行再加工。超声波焊接工艺是依靠振荡体,包括转换器、振幅变换元件和超声波传递头,超声波传递头是实际上的得接工具。   

图1   超声波振动系统的振动变形过程

                                            各种频率超声波焊接振幅推荐

三. 材料因素

　　硬质非结晶体塑料,如PC,PS,SAN,ABS,和PMMA,都有很好的超声波能量传通特性, 超声波振荡在这些材料上可以通过很长距高,传送到焊接点上 。半结品聚合物则对声音有较高的衰减性,如PA,PP,PE和P0M这些材料。因此这些材料只能接近超声波焊头部分的区域才能焊牢。这两组材料对能量的消耗也不同。非结晶热塑性塑料焊接时没有明显的熔接痕迹。随温度升高,焊接区域在成为熔融状态之前,先进入塑化状态 。 对热量以及超声波能量的要求比较低(图2) ,半结晶热塑性塑料有明显度熔接痕速和较高的热量要求 。 在焊接时所需的振幅及超声波能量比非结晶塑性塑料高.

　　其它 的同处是非结晶热塑性塑料注射后可以立即进行焊接接再加工, 而半结品热塑性塑料注射后至少要放置二十四小时, 以消除制件内部应力 。 否则在塑料件焊接时, 其内部应力会导致塑料件收缩变形。

　　　　　　图2 焊接非结晶体和半结晶体材料的热量消耗

  　 填充添加剂(例如:润滑剂、增塑剂防燃剂、木粉,灰粉、玻璃纤维和云母之类的增强剂)会影焊接性能。因此在设计制件和确定焊接参数时,必须注意这些同題,并采用适当的措施，对加工制件要一件一件进行试验直至取得最佳结果为止。例如对聚酰酸(Poly mides),要注意其水份的含量。若水份含量高会引起超声波衰减大,因此焊接性能也差。材料所含水份高,在焊接时还会冒出气泡,这祥就不可能获得紧密的焊接面。为了防止焊接制件的水份含量过高,要将注射以后立即放进PE塑料袋包起来。                         

　　若注塑件要采用超声波焊接,设计注射模时要注意适应超声波焊接工艺。否则加工后的制件会有以下缺点：                                                             

(1)零件尺寸和重量不稳定;

(2)空腔表面有疵点和不均匀处;

(3)材料应力和其他加工缺陷。

　　尤其大型注塑件和多型腔模塑成形,或在不同的注塑条件下的尺寸公差,最会引起不正常焊接。不仅如此,注塑件在焊接部位的飞边和制件被污染也都会影响焊接的质量。在这种情况下,对注更件进行修整就显得至关重要,必要时需用刀子对有关表面进行手工修整。

四.超声波焊接设计要点

　　有许多基本频率可作为设计超声波参数指标时的参考。这样可节省加工时间、能量和调换模具的成本。因此,设计者首先要确定焊接的方式,以下根据不同焊接要求介绍几种焊接方式:  

(1)模塑件焊接;           

(2)镶嵌焊接;

(3)点焊接;

(4)插套焊接;

(5)模塑板材和织物焊接;

(6)板材、薄片和织物焊接;

(7)铆接焊接;

(8)凸缘连接焊接;

(9)埋入焊接。   

　　要根据产品最终要求来选择连接方式。 这里包括, 如连接面负载承受强度、抗渗液性能、外观光学透明性能、 選免焊接焼损以及内部塑料粉粒状 。 这些需根据以下各项标准:

(1)连接面的位置、形式和能量传递方式;

(2) 焊接位置及顶部和基部側面的配合公差;

(3)超声波传递头的接触方式;

(4)自由埋入距离;

(5)成形工具中的支座。

容易击穿的位置，设计时应该避免

容易发生焊接断裂的几种错误设计

1.能量引导

　　能量引导对设计焊接接口很重要。它能确定连接区域,把能量有目的地传向这些地方(图3 )。因为能耗低, 零件只有较小的热负载。 如果不在覇 能量引导, 就需增加焊接时间,且焊接范围也不能确定

(参考图3) 。焊接强度也会降低且不稳定, 从而引起材料报废 。

　　　接口形状对超声波焊接的影响

　能量引导要避免大面积接触。 图4所示给出了引导部分的形状和尺寸设计 。 根据材料和零件尺寸的不同, 引导部分i的设计也不一样。 图4给出了非结品和半结晶材料的焊接钢性值和机械损耗值。  

非结晶和半结晶塑料接口能量引导设计

几种超声波焊接线角度的设计

2.超声波焊头的接触方式

　　对半结品塑料超声波焊接时, 超声波传递头和焊接件接触面积越大越好, 这样才能确保压力平均,补偿模塑中的误差,以改善振荡体和換能器的振荡波特性。、

超声波焊接主要采用近距离要焊接(图5)。只有在硬质非结品体塑料时才采用长距离焊接。

　　　　远距离焊接和近距离焊接

3.对接焊接

　　一般的端部接口上采用环形引导凸缘,也可以在环形引导角部断开一节(图6 )这样可選免该区域材料集中,焊接时引起材料起泡。这个方法也可防止成形时材料碎裂和产生应力.同样的原因,在有较长的焊缝处,在能量引导中最好有间断,截面形状可选锥形或凸键形。

          尽量避免熔接线直角过度

为了使对接焊接件对准中心,设计人员可选择用模具或超声波传递头使焊接件两个焊接面对准,这样在焊接时就能有正确的导向(图7左) 。另一种对准中心的方法是用销钉插入圓孔中(图7中) 。这些方法都有不需改动模具增加成本的优点。

                超声波熔接线设计

　　当焊接件的公差较大时,可用焊接件自身定位对准中心(图7右) 。但这在焊接紧固零件和薄壁连接件时就会引起麻频。根据材料性质,只有低强度无预装配的焊接件才能采用该种方法。但采用这种方法后, 任何渗漏性材料都可改善其渗漏性。

四.阶梯接口

　　阶梯接口的焊接较容易,光学透明度好,强度和紧密度也较高(图8) 。焊接件自身还可起对准作用 。 如阶梯接口在剪切力和拉力作用点处效果更佳。 如果焊接口外表被一圏环形凸肩所覆盖,那么由于焊接引起的不平整就会被掩盖,且焊接处的光学性能也可改善(图8中)

超声波焊接线设计

超声波焊接线设计

超声波焊接线设计

超声波焊接线设计

超声波焊接线设计

超声波焊接线设计

　　因为被焊接的塑件总有一定的公差, 所以必须避免焊接导向部分平面接触 。 否则会引起无法预料的汽泡。当焊接面需要有较高尺寸精度时,外形上可增力间隔的凸键 (国8右) 。这种方法可使焊接件正确对准中心, 不会发生移动。即使有较大的间隙,不需要对工件进行修整,也可保证被焊接件在重复焊接时的整洁外观 。

5.榫舌和凹槽焊接

　　榫舌和凹槽焊接(图9 )能确保具有最大焊接强度。焊接时,表面张力使樺舌充满凹糟间隙。这种焊接能自身对准中心, 力学性能也较好。 其不足之处是需有较高的配合精度和制件壁部较厚 。 解决的办法是和阶梯焊接一样, 使用间隔凸键。

6.挤压焊接

　　对POM、 PA这类结晶型热塑性塑料焊接件的温度,需在很小的范围内使材料从固态变到液态,因此要设计一种特殊的接口。在此就不必采用能量引导,因焊接时材料向外溅出就无法控制。

　　挤压焊接适宜极薄壁焊接(图10)。采用挤压焊接,一般都可获得紧在的焊缝 。 对较大塑件的焊接也常采用斜面焊接接口(图10右)。在此情况下,焊接时富;.,表面张力只朝上或朝下跑,两焊接件不是大面积接触。该设计能不足之处是不容易控知1l焊接件的算接公差,因此就需采用高能量的能量转换器和較高的振幅能量。

7.对插焊接

　　对插焊接是挤压焊接的一种派生形式。适用于细长圆形件的焊接，这样可以避免产生不同的形状的焊接口。

焊接时对插焊接的插口可起定位作用。一件插在另一件塑料下点或孔中(图11),这样就有很高的强度,无飞出材料。对插焊接所需焊接能量小,焊接时间短。

8.点焊         

　　在点焊中, 爆接件互相接蝕, 接缝线不需经过预处理, 也不需要能量引导 。 超声波传递头顶端穿过上片焊接件进入下片焊接件, 使焊接件接触部分的材料塑化(图12) 。 移动自塑料向上流动并被固定在超声波焊接头上面环形凹槽圈内 。

　　超声波点焊工艺在大面积、热成形、吹塑、挤塑制件的焊接中广泛应用。它也适用于不同材质的焊接。

9.片材和织物对制件的焊接

　　超声渡焊接也能用于织物、塑料、金属制成的网状物和热塑性塑料細件的焊接。不同的聚合物之间,聚合物和金属之间的焊接都行。

　　采用能量引导或结构超声波传递头均可(图13)。焊接时,塑化材料穿过网状结构形成一个可靠的连接。得接金属网状物时要减小振幅。这点很重要,否则焊接时会造成网状物位移太大而被掘坏。

10. 镶嵌焊接

　　在某些情况下,需有可靠的密封。因此焊接时要用一个有弹性的密封球,例如 O形圈(图14) 。 这样, 在加工时必须确保不使有滲漏的材料进入凹槽。另外, 焊接件上的毛边必须清除干净。

11.片材、最表和観物的n最

　　焊接塑料复差片材和纸时, 超声波能量穿过焊接件使焊接区材料塑化。通常在超声波传通头对面必须有个支承面(图15) 。超声波传递头表面必须加工,,成特殊结构,支承面的表面也如此。这种特殊结构可替代能量引导和提高焊接效果

12.超声波铆焊       

采用铆焊方法, 可使热塑性塑料制件和金属材料或不可焊接的热固性塑料

聚合物快速、 干净地连接在一起。毋需另加固定,并可使用多工位加工。通过克服聚合物的弹性恢复, 可增加柳接强度 。 另一个优点是小范围的加工热量由超声波焊头迅速扩散, 有效地控制了材料的热过裁。

　　在多点铆接时就能体现出超声波铆接的效率。 适当提高超声波能量, 就可减少铆接压力和结小超声波传通头接触点面积 。 因此可以确保仅在铆点顶端小部分发生塑化 (图16) 在大面积接触和高物接压力之下,就可能使铆钉体塑化,从根部处损坏。在这种情况下,会造成铆接头铆接不良, 因此连接也是不可靠。 带液压控制的超声波头可确保焊接质量, 它可使下压速度保持恒定的速度,使焊接材料有足够的成形时间而不会外溅。这种方法也可避免冷焊。

在此再介绍一种电子压痕深度控制装置。 该装置可把焊接压痕点高度控制在o. o5m m以内。当焊接过程结束时,该装置使超声渡传递头仍有向下压力,直到焊点完全固化(保持时间) 。普通的压头往往会使超声波传递头的压力没有作用在铆钉体头部, 这样只要施加很小的力就可使焊接后的结疤或成形不规则的铆体头分开。另外, 因为塑料的弾性恢复是不能抵消的,所以铆接体嵌入物处通常留有间隙。

在设计铆接体时,必须使其顶端倒角,这样便于装配(图16中)。倒圆和沉坑可防止装配时不希望产生的凹槽影响。另外,铆接体的直径和长度之比不能大于1:2。

超声波传递头的在超声波焊接中是必不可少的,对于那些表面有波纹的,尺寸不規则的焊件,得接时还要加固定圈(图l6右)超声波柳接焊头的设计方法很多,图17介绍了超声波焊头的设计,供参改。

超声波铆接焊头及塑料制件的工艺设计

13.超声波凸缘连接焊                                 .

　　超声波凸缘连接是超声波铆接的一种特殊形式。有时不需铆接体整个穿过焊接时成可采用凸缘连接焊(图18)。采用这种方法时起声波传递的下侧必须预先成形。

　　凸缘连接焊的加工周期和翻接焊相同。塑化材料在超声波传递头压力下冷却固化。这样可有数地限止材料的反弹。这是该工艺很重要的优点。且采用超声波焊头液压控制和电子压痕深度控制装置,还可提高焊接质量,确保重复连接。

14.镶嵌金属零焊件

　　在热塑性塑料上镶嵌销子,钳件成其他金属件时,对其插入孔的尺寸必须仔细检测。其粘度要求也可在零件图上获取。孔壁塑化才能镶嵌住金属件。根据被嵌另件的尺寸、形状可获得高挠曲, 扭动和顶出力矩。超声波镶嵌f奉是个很快的工艺过程。因此允许置于注射模塑周期的自动程序中。硬质超声波焊头的设计很重要, 必频使超声波转換器能吸收消除反向振荡波。

  五.超声波设备的作用

　　焊接口和焊接件设计不是保证超声渡焊接工艺质量的唯一因素。超声波焊接设备和超声波焊接工艺参数的选择对超声波焊接质量也起着同样重要的作用 。 现代焊接中的参数很多, 必须在实际应用中相互搭配 。 以下的工艺顺序可作实际焊接的参考: 首先确定超声波振幅能量; 其次是加压力和触发; 再次是焊接速度; 最后是焊接和固化时间 。塑料件超声波焊接工艺及焊接线设计此外超声波振荡发生器也是起决定性作用的, 要求它经连续工作后不降低固有性能 。

    亲爱的读者朋友，本文介绍的超声波焊接工艺设计方法，都是笔者长期从事超声波焊接工艺研究总结的经验，在生产工作中遇到有关不理解不明白地方时，可以来电探讨13510929282李工。