塑胶件超声波焊接介绍及相关结构设计

①其常常关系到防水防尘、强度等的可靠性设计哀求（DFR），设计时是须要参考标准特色选用的。

②但其又可归类为塑胶件可制造的哀求（DFM），一些难以制造的问题常常困扰超声波焊接构造，如导熔线过小过长难以制造导致焊接不好。

③其又必须符合装置的DFA的哀求，且其质量与超声波焊仪的设备息息相关。

综合考虑后，作者还是把它归类到DFM塑胶件设计下。

但设计的时候，希望工程师须要考虑到超声波焊接构造标准、DFM检讨，DFA检讨三方面。

2. 超声波焊接简介

超声波焊接是利用超声波振动频率，打仗摩擦产生热能而使两个塑胶件在焊接界面熔融而固定在一起。
超声波焊接是一种快捷、干净、有效的装置工艺，用于知足塑胶件高强度的装置哀求，是广泛利用的一种前辈装置技能，适用于多种类型塑胶件的装置。
正常情形下，超声波焊件具有较高的抗拉强度，可以取代溶剂粘胶及机器紧固等装置方法，同时还可以具有防水、防潮的密封效果。

3. 超声波焊接的事理

超声波焊接的事情事理是通过超声波发生器将50 Hz或60 Hz电流转换成 15、20、30或40 kHz的电能，被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机器运动，随后机器运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置通报到焊头，如下图所示。

焊头将吸收到的振动能量通报到待焊接塑胶件的界面，在该区域，振动能量通过摩擦办法被转换为热能，将塑料熔化，振动停滞后坚持在塑胶件上的短暂压力使两塑胶件以分子连接办法凝固为一体，如下图所示。

超声波焊接时，两个塑胶件从打仗到熔化，再到焊接成一体的实物剖视图如下图所示。

4.超声波焊接的优点

超声波焊接是一种快捷、十净、可靠性高的装置工艺，具有以下优点：1)焊接速率快，效率高。
绝大部分超声波焊接可以在0.1〜〇.5 s之内完成；

2)本钱低。
由于效率高，人工本钱低，同时省去了大量夹具、粘合剂或者机器紧固件等的利用，因此超声波焊接是一种非常经济的塑胶件装置办法；

3)强度高。
超声波焊接险些可以达到塑胶件本体强度的80%以上；

4)合理的塑胶件设计可以使得超声波焊接达到防水效果；

5)表面质量好，焊点都雅，可以实现无缝焊接；

6)工序简洁，操作大略，可以实现自动化焊接；

7)品质稳定，产品质量稳定可靠，适宜大批量生产；

8)超声波焊接过程清洁、稳定、可靠，而且能量花费低。

5.超声波焊接的局限性

只管超声波焊接有浩瀚的优点，但超声波焊接也有一定的局限性，在选择超声波焊接工艺之前和进行超声波焊接塑胶件零件设计时，产品设计工程师必须清楚了 解超声波焊接的局限性，并通过合理的零件设计来避免超声波焊接毛病的产生、提高焊接的质量。
1)材料的限定性。
超声波焊接并不能够焊接所有的塑料，这是超声波焊接最大的局限性。
有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超声波焊接一样平常仅适宜于于—种或者相似塑料之间的焊接。
如果两个塑胶件材料不同，多数时候超声波焊接无能为力。
因此，一定选定超声波焊接工艺，就不能轻易变动零件材料。
有工程师曾经向笔者反响，为何对ABS材料的两个塑胶件进行超声波焊接时，焊接质量非常好，但由于其他设计哀求，把一个塑胶件的ABS材料换成PBT，就很难焊接上？便是这个缘故原由。

2)不可拆卸性。
超声波焊接是不可拆卸性连接，无法进行返工。
一旦两个零件过超声波焊接装置成一体，之后如果创造产品存在质量问题，那么也无法进行返工。

3)零件大小和形状的限定。
中小型的塑胶件适宜超声波焊接，尺寸一样平常小于250mmx300 mm，较大的零件可能耑要多个焊接工序。
而且超声波焊接一样平常适用于形状比较单一的塑胶件，对付形状繁芜的塑胶件，焊接质量可能较低。

4)超声波的能量很大，在焊接过程中有可能造成塑胶件本身由于强度不足而发生破坏，同时也可能造成产品内部其他零部件的破坏。
因此，在进行产品设计时，尽可能增加塑胶件的强度和产品内部其他零部件的强度，或者将零部件阔别焊接区域，只管即便把强度不高的其他零部件安排在超声波焊接工序之后再进行装置。
//有些电控板上的电子元器件特殊须要把稳。

5)目前超声波焊接质量对超超声波焊接机的调机技能，以及对操作者的细心程度都有很大的依赖性。
很多产品在前几次超声波焊接时会涌现焊接不足稳定或者焊接表面过度熔化等质量问题，工程师会误以为超声波焊接的质量就只能达到这一步，但实在绝大多数的质量问题可以通过焊接参数调度而得到办理，不过这须要依赖调机技能以及操作者的细心。
最有效的方法是请超声波设备供应商专业职员供应帮助。

6)超声波对付人的听力有侵害，应准备好劳保用品。

//特殊是焊接时那一下高音，有些人会特殊难熬痛苦。

6.超声波焊接的运用

超声波焊接的运用非常广泛：(1)汽车行业

汽车行业哀求超声波焊接的零部件具有防水性和较高的表面光洁度，例如车头灯；其余，发动机箱内的零部件哀求知足较高的力学性能哀求。
范例运用实例包括车头灯、前后门、刹车灯、灯座、插座、旗子暗记器件、按钮、导风管、仪表板和保险杆等。
(2)电子电器行业

电子电器行业哀求超声波焊接能够供应较高的机器强度，在有些场合，哀求一定的外不雅观表面哀求。
范例运用包括墙壁插座、开关、电源、灯架、吊灯、温度掌握器、洗衣机出水栓、蒸汽熨斗、电池壳、充电器、手机外壳、手机配件、吸尘器、电话等。

(3)玩具行业范例运用案例包括摇铃、婴儿沐浴温度计、音乐玩具、球类玩具等。
(4)日用品业

粉盒、扮装镜、保温杯、密封式容器、调味瓶、水管接头、食品容器、打火机等。

(5)办公产品

哀求超声波焊接具有较高的外不雅观质量哀求。
范例运用案例包括圆珠笔、胶带切割器、文件夹、铅笔盒、订书机、卡式墨水管、书架、文件夹、塑料笔桶等。
下图所示是超声波焊接的一些运用实例。

7.超声波焊接步骤

超声波焊接详细步骤如图3-130所示：

8.影响塑胶件超声波焊接性能的要素。

8.1）塑料特性:

塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。

热固性塑料可塑但不可逆。
第一次加热时可熔化流动，加热到一定温度，产生化学反应，交联固化变硬而形成固体；但这种变革时不可逆的，当重新受热加压时，热固性塑料不能再次熔化。
因此，超声波焊接不能焊接热固性塑料。
热塑性塑料可塑又可逆，当第一加热形成固体后，其内部构造仅经历形态的变革，是可逆的；重新加热和加压时，能够重新熔化并再次形成固体。
超声波焊接能够焊接大部分的热塑性塑料。
热塑性塑料又分为无定形塑料和半结晶塑料。

由于二者的分子构造和排布不同，二者的超声波焊接性能又有所差别。

无定形塑料的分子构造呈随机分布，没有一个明确的熔点Tm，其在一个很广泛的温度范围内逐步软化、熔化和流动；而不是一旦加热到某个温度就立即从固体熔化，然后又立即固化。
无定形塑料的这种特性非常易于传导超声波振动能力，能够在较大的压力和振幅范围内进行超声波焊接。
半结晶塑料的分子构造在局部呈规律性分布，有一个明确的熔点Tm。
在温度达到熔点之前，半结晶塑料始终保持着固态；当温度达到熔点后，全体分子链急速幵始运动，并立即固化。
无定形塑料和半结晶塑料的熔化过程区別如图3-106所示。

半结晶塑料呈规律性分布的分子构造类似于弹簧，非常随意马虎接管髙频的超声波振动能量，使得能量很难从焊头通报到焊接界面，必须有足够大的超声波能量才能使半结晶塑料熔化。
因此，相对付无定形塑料，半结晶塑料比较难焊接。
为了使半结晶塑料得到较高的焊接质量，每每须要考虑更多的成分，例如较髙的振幅、得当的焊接界面设计、焊头的打仗、焊接的间隔以及焊接夹具等。

8.2）其他要素：

在超声波焊接时，还须要考虑其他一些成分，这些成分包括注射过程的影响、吸水性、脱模剂、润滑剂、塑化剂、添加剂、阻燃剂、回料、色料及塑料等级等。

(1)塑料的吸水性：

塑料的吸水性是超声波焊接性能的主要影响成分。
如果塑料含有过多的水分，在超声波焊接过程中，当温度达到水的沸点时，塑估中的水分蒸发和气化，焊接界面呈泡沫状，使得超声波焊接强度低，同时很难得到密封性能以及高质量的外不雅观；其余，过多的水分还会造成焊接韶光的延长，焊接本钱增加，如图3-108所示。

具有吸水性的塑胶件该当在注射完成后立时进行超声波焊接。
如果不能立时进行焊接，该当以装有干燥剂的PE袋进行密封包装；没有密封包装的吸水塑胶件，在焊接之前该当进行烘干。

(2)脱模剂：

脱模剂常常直接喷洒在模具型腔内，通过减少塑胶件与型腔摩擦力的办法，帮助塑胶件从型腔中脱出。
不幸的是，在超声波焊接时，脱模剂也会减小焊接界面上两塑胶件的表面摩擦力，而超声波焊接工艺正是依赖表面摩擦产生热的，脱模剂会降落超声波焊接性能。
其余，脱模剂中的化学物质也会影响空想焊接强度的得到。
因此，对付须要进行超声波焊接的塑胶件，必须在注射过程中避免利用脱模剂。
如果不得不该用脱模剂，则在焊接前必须洗濯塑胶件，不过只有一些脱模剂能够洗濯干净。
推举利用干性脱模剂，其对超声波焊接性能影响最小，乃至不必在焊接进行前洗濯。
只管即便避免利用硅、氟、硬脂酸锌和硬脂酸铝等类型的脱模剂。

(3)润滑剂：

润滑剂例如蜡、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硬脂酸和脂肪酸等被加入到塑估顶用于提高流动性和增加注射性能。
但是，在超声波焊接时，润滑剂会减小焊接界面的摩擦系数，从而影响塑料的超声波焊接性能。

(4)添补剂：

为了提高塑料的力学性能，塑估中会加入添补剂，常用的添补剂有玻璃纤维、碳纤维、滑石粉以及碳酸钙等。
玻璃纤维添加到塑估顶用于提高塑料的机器强度和尺寸稳定性。
普通的矿物质添补剂，如玻璃纤维和滑石粉，会提高塑料传导振动的能力，提髙塑料的超声波焊接性能，特別是对付半结晶塑料。
一样平常来说，10%〜20%的玻璃纤维会显著提高塑料的超声波焊接性能。
但是，比例过大会带来其他问题。
例如，添补剂的比例若为30%，但在局部的焊接界面，真实的比例可能已经超过30%，使得在焊接界面没有足够的塑料熔化而得到空想的焊接质量。
当添补剂比例超过40%时，很有可能在焊接界面不可焊接的材料比可焊接的材料还多，这就意味着超声波焊接性能会变得很差。

(5)回料：

由于塑料的可冋收性和为了降落零件材料本钱，在塑估中常常会加入回料。
超声波焊接许可在塑估中加入回料，由于回料本身是同一种塑料，但是，回料的比例不能过大，而且回料不能是已经降解的或者被污染的，否则会涌现焊接质量问题。
为了担保焊接的质量，建议回料的比例越少越好。

(6)色素：

色素对塑料的超声波焊接性能影响较小，除非色素的比例过高。
比较其他颜色，白色和玄色常日须要添加更多的色素，冇可能带来一些焊接问题。
同一种塑料的不同颜色可能须要不同的焊接参数，可以通过调机来得到。

(7)塑料等级：

塑料等级对塑料的超声波焊接性能具有很大的影响。
同一种塑料的不同等级可能会有不同的熔点和不同的流动特性。

9 导熔线的设计

9.1 导熔线的观点

超声波焊接时，两个塑胶件的初始打仗面积必须足够小，以集中能量，同时减少塑料熔化和熔合所需的总体能量。
导熔线（或称导熔线柱、超声线）即是这样的一种构造，是在一个塑胶件焊接界面上突出的三角形柱，顶端越尖越好，基本浸染是将振动能量聚拢在三角形的尖端，其后累积的热量在全体焊接界面形成均匀的塑料熔流。
导熔线的优点包括：1)增加焊接的强度，减少虚焊。
导熔线利于两个塑胶件的熔合，可提高焊接的强度。
利用导熔线的超声波焊接如果发生虚焊，则两个塑胶件之间会涌现断差，很随意马虎创造虚焊的毛病、继而避免虚焊的产生；而没有导熔线的超声波焊接如果发生了虚焊，则很难通过外不雅观进行辨别。
2)减少溢料，提高外不雅观。
导熔线使得焊头与塑胶件的打仗韶光缩短，因此较少溢胶。
其余，由于焊接区域变小，避免了材料堆积从而减少溢胶。
通过合理的导熔线及焊接构造设计，超声波焊接可以具有高品质的外不雅观。
3)缩短焊接韶光。
导熔线可减少塑料熔化和熔合所需的总体能量，继而缩短焊接韶光，图3-109所示为无导熔线与有导熔线的焊接韶光比拟，利用导熔线的焊接塑料更早熔化和熔合成一体。
同时，焊接韶光的缩短有助于避免塑胶件永劫光焊接而引起的过焊问题。

4)减少振幅。
导熔线使得超声波焊接在知足焊接质量的条件下，须要较小的焊接能量，从而可以减小焊接振幅。

9.2 导熔线的基本设计

精确的导熔线设计是提高超声波焊接强度和质量，缩短生产周期的关键。
导熔线必须具备的条件是最初的打仗面积不可太大。
相对付无定形塑料，半结晶塑料哀求导熔线的角度更尖，这是由于半结晶塑料本身并不太利于超声波焊接能量的传导。
一样平常来说，无定形塑料的导熔线顶端角度为90，半结晶塑料的导熔线顶端角度为60,如图3-110所示。

导熔线可设计在任意一个焊接零件上，推举把导熔线设计在与焊头打仗的塑胶件上。
缺点的导熔线设计不利于两个塑胶件之间的超声波焊接，如图3-111所示。

9.3 十字交叉型导熔线

十字交叉型导熔线是指在两个焊接塑胶件上均设置相互垂直交叉的导熔线，以在焊接时供应最小的初始打仗面积，同时使得两个零件上的更多的塑料能够熔合为一体，如图3-112所示。

十字交叉型焊接能够提高超声波焊接强度，缩短焊接韶光和减小焊接功率，但随意马虎产生断差和溢胶。
两个塑胶件上的导熔线尺寸均应该为常规尺寸的60%，导熔线顶端角度为60。

当产品有水密和气密的哀求时，可将与焊头打仗的导熔线连续排列，呈锯齿形状，导熔线之间没有间隙，如图3-113所示。

这种设计的缺陷是超声波焊接为熔合更多塑料，很有可能造成溢料，影响产品表面外不雅观质量，因此这种设计适用于沟槽型或阶梯型超声波焊接构造中以隐蔽溢料。

9.4 导熔线垂直于壁

如图3-114所示，导熔线垂直于壁，可以用于提高焊接的抗剥离力以及减少溢胶。
这种设计适用于非密封哀求的产品中。

9.5 间断的导熔线

如图3-115所示，导熔线是不连续、间断的，可用于减小焊接能量的设计，这种设计会降落焊接强度，适用于非密封哀求的产品中。

9.6 凿子型导熔线

当塑胶件尺寸小于1.5mm时，常规的导熔线可能会较小，造成焊接强度不足，可利用凿子型导熔线，如图3-116所示。
凿子型导熔线的高度为0.38 ~0.50mm，角度为45；凿子型导熔线位于台阶的内侧，可确保焊接时不会分开狭小的焊接界面，其余还可以使得塑料熔料阔别产品开口区域。

10 超声波焊接的构造

10.1 基本型

超声波焊接构造的基本型，是在焊接平面上设计一条贯穿全体焊接平面的导熔线，如图3-117所示。
基本型的超声波焊接构造适用于大多数的场合，其缺陷是有可能会在塑胶件的熔合面产生溢胶，影响产品外不雅观质量。

//基本型缺陷较多，能不用就不用。

10.2 阶梯型

阶梯型焊接如图3-118所示。
其优点是适当增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13〜0.51mrn)可将焊接熔料可隐蔽于间隙1中，避免溢胶的产生，具有较高的外不雅观表面质量。

//实在便是美工槽。
阶梯型焊接一样平常哀求零件的基本壁厚不小于2mm。

10.3 沟槽型

沟槽型焊接采取间距式移位焊接，设计时凹凸面保持一定的间隙和斜度，适用于哀求完备密封的焊件。
同时，沟槽式焊接界面供应自定位功能。
适当的增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13〜0.51mm)可以防止溢胶的产生，如图3-119所示。

沟槽型焊接一样平常哀求零件的基本壁厚不小于3mm。

10.4 剪切型

对付半结晶塑料，普通构造的超声波焊接，例如基本型、阶梯型等很难担保足够的焊接强度。
这是由于半结晶塑料从固体转化为熔化状态是在很短的一个温度变革区间完成的，转化的韶光极快，反之亦然。
因此，在熔化塑料与对应零件的塑料熔合在一起之前，有可能有部分塑料已经固化，造成焊接强度低。
针对半结晶塑料，建议利用剪切型焊接构造设计，如图3-120所示。

剪切型焊接首先在较小的初始打仗区域进行熔合，然后在一段干涉区域连续熔合。
由于熔合区域没有与周围的空气打仗，剪切型焊接可以担保较高的焊接强度和提高密封性能。
剪切型焊接的强度取决于熔合区域的垂直高度，即焊接深度。
一样平常哀求焊接深度为零件焊接处壁厚的1. 25倍，两个塑胶件干涉量以及尺寸精度哀求见表3-15。

为确保剪切型焊接的质量，须要把稳以下几点：1)侧壁的强度须要足够髙以及得到足够的支撑，以避免由于焊接过程产生的力而造成侧壁变形；而底部焊接零件也必须通过焊接治具进行支撑，治具须要紧靠在零件的四周。
2)上部塑胶件的强度必须足够大，以避免在焊接过程中产生变形。
同样的道理，底部塑胶件的壁厚应该大于2mm以避免变形。
3)上部塑胶件和底部塑胶件在干涉区域的合营面应该是平面，并相互垂直。
4)焊接塑胶件须要具有较好的制造精度，推举利用下一节供应的定位柱与定位孔等定位方法来赞助两个塑胶件的准确对齐。
否则，焊接干涉区域的尺寸由于较小而得不到担保，继而无法确保焊接的强度。
剪切型焊接可以和沟槽型焊接等构造合营利用。

10.5 分外形状

为了使较难熔接的塑胶件或形状不规则的塑胶件达到水气密熔接，可能须要利用弹性油封与旋绕道以阻隔熔胶的流动。
图3-121所示为一种合营〇形密封圈的焊接界面设计。

//这时候超声波焊接只有像螺钉一样的固定浸染，并没有水气密的浸染。

//实在当代的超声波焊接构造在发展中，新的构造层出不穷。
一样平常好的供应商都会供应相对应的超声波构造资料，以合营自家的设备达到最好的焊接效果。
以是读者是可以向供应商索要的。

11.塑胶件的超声波焊接构造设计

在设计超声波焊接构造之前，下面这些成分必须充分考虑清楚：

11.1 利用塑料的种类。

塑料不同，对超声波焊接构造哀求也不同。
例如，相对付无定形塑料，半结晶塑料哀求导熔线角度越尖越好；其余，半结晶塑料应只管即便避免远程焊接，否则焊接质量不随意马虎得到担保。

11.2 产品尺寸和内部构造。

超声波焊接哀求产品尺寸不能过大，产品内部构造必须有利于超声波焊接能量从焊头通报到焊接界面，同时产品的内部构造必须足够强壮以抵抗超声波焊接时的巨大能量。

11.3 产品受力。

产品受力的大小、类型和方向决定了导熔线的设计和布局。

11.4 水气密的哀求。

产品如果有水气密的哀求，则导熔线须要达到密封的哀求。

11.5 外不雅观的哀求。

如果产品的外不雅观哀求较高，不许可溢胶的产生，则须要合理地设计超声波焊接构造以避免溢胶。

11.6 是否还有其他分外哀求。

12.别的赞助超声波焊接构造的设计原则（主要）

12.1 超声波焊接零件须要导向和预定位

在两个塑胶件焊接界面开始打仗之前，在零件之间设计定位特色能够担保两个塑胶件的准确定位，这有利于提高超声波焊接的质量和提高焊接的尺寸精度，定位特色包括定位柱、孔、凸台和边等，如图3-122所示。
当然也可以设计赞助夹具来增加定位，笔者不推举这种方法，由于从面向制造和装置的产品设计理论来看，赞助夹具会带来产品本钱的增加，不是一个最好的方法。

12.2 避免尖角

由于焊接零件上的尖角在注射过程中产生应力集中，在超声波机器振动下，很随意马虎发生折断。
以是，对付塑胶件壁与壁的任意连接处呈尖角的地方，都应该设计一定的圆角（半径至少大于0.5mm),如图3-123所示。

12.3 避免超声波零部件构造较弱而发生断裂

塑胶件内部或外部表面附带的突出或眇小特色会因超声波振动发生断裂或脱落，通过以下方法可减少或肃清这种问题：

1)在眇小特色与主体相交的地方加一个大的R角（见图3-124)。

2)增加眇小特色的厚度或直径。

12.4 把近场焊接作为第一选择

近场焊接是指超声波焊接界面与焊头打仗面间的间隔在6.35mm以内，大于6.35mm的称为远场焊接，如图3-125所示。

在无定形塑估中，分子的无序排列使得振动能量随意马虎在其间通报并且衰减很小，在低硬度塑估中也会发生振动能量的衰减征象。
与之相反，半结晶塑估中的晶体构造阻碍了振动的传导，振动衰减很大，使得远场焊接变得困难。
因此，在产品设计时，应考虑到是否有足够的能量通报到焊接界面；对付半结晶塑料，应只管即便避免利用远场焊接。

12.5 增加塑胶件焊接面与焊接头的打仗面积

焊头位置和焊头与塑胶件打仗是能否成功焊接的一个关键成分。
一样平常来说，焊头该当足够大使得其直线投影可以覆盖全体焊接区域，这一方面可以帮助将超声波振动能量通报到焊接区域，另一方面可避免在表面留下伤痕，如图3-126所示。

12.6 焊接面与焊头面平行，且为单一平面

塑胶件的焊接面必须平行于焊头面，而且焊接面和焊头面均要分别保持在单一平面，从而使得能量均匀通报，有利于取得同等的焊接效果，并减小溢胶可能性，图3-127和图3-128所示便是缺点的焊接面和焊头面设计。

12.7超声波传导区避免孔或缺口

与焊头打仗的塑胶件有孔或其他缺口，则在超声波传导过程中会产生滋扰和衰减。
根据塑料类型（尤其是半晶体材料）和孔的大小，在开口的下端会直接涌现少量焊接或完备熔不到的情形，因此要只管即便避免在超声波传导区域涌现孔或缺口，如图3-129所示。

12.8避免薄而波折的构造

超声波的传播是直线传播，因此在超声波的传播路径中，应该避免薄而波折的构造，否则超声波振动很难通报到焊接面，特殊对付半晶体材料，如图3-130所示。

12.9避免薄膜效应

薄膜效应是一种能量聚拢效应，可造成塑胶件涌现烧穿征象，在平的、圆形的、壁厚较薄的位置最为常见，通过采纳下列一个或结合数个方法可以战胜这种征象：1)增加壁厚，如图3-131所示。
2)减少熔接韶光。
3)改变振幅。
4)采取振幅阐发。
5)在焊头上设计节点活塞。
6)增加内部加强筋。
7)评估其他频率。