超声波焊接接头设计

接头设计是超声波焊接的最重要方面。接头设计应在待焊零件还处于设计阶段时就加以考虑，并成为模制件的一部分。有各种各样的接头设计，每一种都有其具体的特点和优点。接头设计的选择由塑料种类、零件几何形状、焊接要求、机加工和模塑能力、表面外观等因素决定。

为了获得合格的、可重复的焊接接头，必须遵循以下三条通用设计准则：

a．配合表面之间的初始接触面积应足够小以集中和减少开始和完成熔化所需的总能量及时间。振动焊头与零件接触时间的最小化也降低了划伤的可能性。由于移动材料少，飞边也很少。

b．应提供对齐配合件的方式。应采用销和插座、台阶或榫槽而不是振动焊头或夹具来对齐零件以确保适当的、可重复的对准并避免产生压痕。

c．焊头接触位置应布置在接头区域正上方以便传递机械能量至接头区域并降低接触面产生压痕的倾向。

导能筋和剪切接头是主要的接头设计形式，还有一种不常见的接头形式—— 斜接接头。剪切接头和斜接接头用于结晶性塑料，通常设计成过盈配合。

5．1导能筋

5．1．1带导能筋的对接接头

带导能筋的对接接头是最常用的超声波焊接接头设计，也最容易铸成零件。该设计的主要特点是一个铸在零件配合面的90°或60°小三角形隆起(导能筋)。导能筋将初始接触限于非常小的区域并将超声能量集中在三角形顶部。在焊接循环过程中，聚集的超声能量使导能筋熔化和塑料流遍接头区域，将两零件连接在一起。

导能筋最常用于非结晶性塑料，也用于半结晶性塑料。一般90°夹角的导能筋用于非结晶性塑料，60°夹角用于半结晶性塑料。夹角可以依材料、填料、零件几何形状或要求的不同发生改变。对于易焊塑料(非结晶性塑料如ABS、丙烯晴树脂、丙烯酸、聚苯乙烯)，导能筋的尺寸取决于待焊面积。通常导能筋的最小高度在0.2 和0.6mm 之间。结晶性塑料如尼龙、热塑性聚酯、乙缩醛、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚以及高熔点非结晶性塑料如聚碳酸酯和聚砜较难焊接。对这些难焊塑料，导能筋最小高度在0.4 到0.5mm 之间，夹角通常为60° 。

90° 夹角的导能筋高度至少应为10％的接头宽度，宽度至少应达到接头宽度的20％。

图3为带90。夹角导能筋的对接接头。对于厚壁接头，应使用两个或多个导能筋，其总高度应等于10％接头宽度。在焊聚碳酸酯零件时，为获得密封接头，零件设计建议用60°　夹角导能筋，导能筋宽度应等于25％到30％壁厚。

图4为带6o°夹角导能筋的对接接头。

图5显示零件尺寸的确定应考虑到来自导能筋的熔化材料的流动遍及接头区域。在焊接同种材料零件时，可以在任一零件上设计导能筋。但在焊接异种材料组合时，通常将导能筋置于材料有最高熔点和刚性的零件上。在一个焊接零件由共聚物或三聚物(如ABS)组成,另一零件由均聚物(如丙烯酸)组成时,导能筋应置于均聚物零件上。

导能筋在结合面的尺寸和位置,取决于材料种类、使用要求、零件尺寸。导能筋顶部应尽可能尖利。顶部圆形或平直的导能筋不会有效流动。就带导能筋的半结晶性塑料来说,最大连接强度通常只来自于导能筋的底宽处。导能筋设计要求对齐方式如销和插座、对齐挡边、舌槽设计。脱模销不应置于焊接区域。由于对接接头不能自定位,必需用夹具对齐零件。只要配合表面几乎彼此完全平齐,非结晶性塑料的对接接头可实现密封。结晶性塑料的对接接头难以实现密封,这是因为焊接过程中熔液暴露于空气中,加速结晶及造成熔体氧化降解,使焊缝变脆。

5.1.2带导能筋的阶式接头

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2mm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。

5.1.3带导能筋的棒槽接头

图8是带导能筋的樺槽接头。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。

5.1.4纹理表面导能筋设计

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到0.152mm,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。

5.1.5十字交叉型超声波导能筋

如图10所示,该设计在两配合面引入彼此垂直的导能筋,在允许可能较大量材料参与焊接的同时提供最小界面接触。每个导能筋的尺寸大致为普通单个导能筋的60%,夹角为60°,有别于普通导能筋的90°夹角。如果需要气密或液密封接导能筋应像锯齿一样连续(如图11)。锯齿导能筋必须位于与焊头接触的零件上。该设计产生非常剧烈的材料流动,因而零件设计必须解决飞边容留问题(如采用榫槽和阶梯设计)。该设计为了实现密封在每个锯齿导能筋之间无间隙很重要 对于圆形零件导能筋应设计成如图12所示,高度和夹角依要求的内径尺寸而定,在外径上的导能筋夹角增加以弥合导能筋基底之间的间隙。

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间断超声波导能筋

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。

5.1.8錾式超声波导能筋

如图15所示,一般用于标称厚度小于等于1. 524mm时。如果用普通的导能筋,会太小(高度小于0.254mm),造成焊缝强度较低。刃口可以高 0.381至0.508mm,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。

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现气密封接,也许有必要使用压缩封接或熔体流动的迁回路径。图16中所示是引入0形圈的接头设计。0形圈只能在焊缝端部,最大压缩量为 10%到15%。销和插座(螺栓焊)使用0形圈设计也可获得良好结果。

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,尤其用干结晶性塑料。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。

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

下表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。

就剪切接头来说,焊接的实现首先是通过熔就剪切接头来说,焊接的实现首先是道过熔化小的初始接触面积,然后伴随零件套进沿着垂直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,般为0.75倍的壁厚。为了获得良好的剪切接头,必须满足下述条件

1)剪切接头需娳性侧壁支撑以防止焊接过程中产生弯曲。接头处底面側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2mm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。

不推荐采用剪切接头的情况如下：零件最大尺寸达到76.2mm。有尖角或不规则形状的零件这是由于难以保持获得一致结果必需的模制公差。在这些情况下,建议用导能筋接头。

对于间隔墙接头( midwall joint),优先釆用如图18所示的榫槽接头变体形式。也用于大型零件。推荐仅单边过盈。

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21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

5.3斜接接头超声波导能线

图23中的斜接接头通常用于包含圆形或椭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到60°之间,相差值在1.5°以内。如果壁厚为0.63mm或更小,角度应为60°。如果壁厚大于等于152m 角度应为30°。壁厚在0.63和1.52m之间,推荐用中间角度。斜面外刃处壁厚至少为0.76mm 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。

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接头设计其它考虑享项

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(0.508mm)来改善 (如图26所示)。最低限度,所有角落或边缘应是断开的。

5.4.2孔或空洞。如图27所示,与焊头接触的零件中的孔或开口会造成超声波能量传递的中断。依材料种类(尤其是半结晶性树脂)和孔的大小而定,在开口下方可能会出现虚焊或漏焊。如果零件中存在孔或转弯处,树脂会衰减能量传递使振动难以从焊头触点传递到待焊零件界面。在零件设计时必须注意防止出现这些问题区域。由于模制工具中的不当排气,塑料中的气泡也会衰减振动传递或造成这些区域材料被吹出。

5.4.3近场焊接与远场焊接分别指离焊头接触面小于6.35mm或大于635mm1的焊接。由于半结晶性树脂衰减能量传递难以进行远场焊接在结品性塑料中,任意取向的分子使振动容易传递而很少哀减。衰减也发生在低刚性(低模量树脂中。在设计容许充是的能量传递到接头区域的零件时,必须注意这些问题   

5.4.4附件、突出部或其它零件。如图28所示,铸在模塑内或外表面上的附件、突出部或其它零件可能受到机械振动的影响而造成断裂。为弱化或消除这个问题

在附件与主体交叉区增加大半径,通过外部手段减少弯曲,通过增加厚度或者添加加强筋或角撑板来提供附件刚性,评估其它频率。

5.4.5薄膜效应( diaphragming effect或油罐效应(1-me。爆头与零件接触时来回弯曲产生的高温造成焊头熔透或烧穿材料一般发生在与焊头接触的零件薄壁截面中的扁平、圆形部分、零件中心或浇口区域。如图29所示。可以通过以下种或多种措施加以解决:缩短焊接时间;提高或降低振嘱;振幅分阶;波节冲杆置于焊头处;加厚壁面;加内支撑筋;评估其它频率;从焊头波节区至表面施加正风压;通过夹具抽真空;用通气焊头焊接。

5.4.6焊头的接触与布置对模制件的成功焊接起重要作用。一般说来,焊头应大到足以悬于饜件边缘之上,以便它直接压在接头区域正上方 (如图30所示)。这样做有助于引导机械能量并防止对接触表面产生压痕。也可增加焊接区域正上方的焊头或零件表面以提供更好的接触,这可以改善能量传递的一致性。焊头与零件之间的接触面积必须大于总的焊接面积。不能做到这点会产生表面压痕。

超声波焊接是最常用的塑料焊接方法。超声波焊接区域的热量增加是机械振动的吸收、连接区振动(波)的反射及零件表面的摩擦综合作用的结果。

零件的超声波焊接性由焊接设备、被焊材料的物理性能、零件的设计和焊接参数决定。材料焊接的难易程度取决于传递高频振动的能力。通常，弹性模量高的塑料对振动具有较低的内部损耗，因而能传递最大能量到接头处。这意味着材料刚性愈大，超声波焊接愈容易。

超声波成功焊接至关重要的是适当的接头设计、适当的焊头振幅、适当的焊头接触面积。

超声波焊接过程的最佳条件选配需考虑三个主要因素：材料性能、零件和接头设计、适用性要求。材料性能影响振动能量从焊头界面至接头处的传递。因此，材料的变化会导致重新评估设计和过程。零件和接头设计对于决定最终组件中材料的性能方面至关重要。与材料性能一样，零件设计影响能量传递至焊缝区域的效率。接头设计在焊接过程中可以起集中应用能量、向接头提供适当熔液量和提供零件对齐的作用，因而直接影响焊缝质量。由于外加负载、密封要求、接头外观、飞边容差这些因素影响零件接头类型(接头设计) 的选择，因而适用性要求也必须考虑。

导能筋最常用于非结晶性塑料(可获得密封接头)，也用于半结晶性塑料(但不能获得密封接头)。剪切接头和斜接接头用于结晶性塑料。

通常近场焊接用于有较高能量吸收特性的结晶性塑料和低刚性材料,而远场焊接用于对超声波能量吸收较低的非结晶性和高刚性材料。