超声波熔接工艺培训.ppt

UltrasonicWeldingTechnology GlobTek Suzhou Co Ltd 超音波熔接工艺 讲师 李忠元 超声波熔接是一种快捷 干净 有效的装配工艺 用来装配处理热塑性塑料配件 及一些合成构件的方法 目前被运用的塑胶制品与之间的粘结 塑胶制品与金属配件的粘结及其它非塑胶材料之间的粘结 它取代了溶剂粘胶机械坚固及其它的粘接工艺是一种先进的装配技术 超声波熔接不但有连接装配功能而且具有防潮 防水的密封效果 什么是超声波熔接 超声波熔接的优点 1 节能环保2 无需装备散烟散热的通风装置3 成本低 效率高4 容易实现自动化生产5 焊接强度高 粘接牢固6 焊点美观 可实现无缝焊接 防潮防水 气密性好7 防止用户自行拆卸维修 超声波熔接的工作原理 超声波熔接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50 60Hz的电频转变成15KHz20KHz或40KHz的电能高频电能 供应给转换器 转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能 调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头 焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置 振动通过焊接工作件传给粘合面振动磨擦产生热能使塑胶熔化 振动会在熔融状态物质到达其介面时停止 短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生个强分子键 整个周期通常是不到一秒种便完成 但是其焊接强度却接近是一块连着的材料 超声波熔接的工作原理 如下图所示 振动能量从焊头传递到工件 工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化 从而焊接成一体 焊头HORN 工件 熔合 振动能 超声波熔接的工作原理 超声波熔接机的工作原理示意图 超声波熔接机工作原理图 电源 换能器 调幅器 焊头 常用的超声波熔接机介绍 No 1美国必能信公司Branson其它 HerrmannRincoSonitekDukane一源迅捷 常用的超声波熔接机 15KHZ E Yuan 迅捷 超声波熔接技术的应用 1 熔接Welding2 铆接Staking3 埋植Insertion4 成型Swaging Forming5 点焊Spotwelding6 切除Degating7 其它用途Others 铆接 Staking 标准铆接方式 StandardProfileStake 圆盖铆接方式 DomeStake 咬花成型铆接方式 KnurledStake 平头铆接方式 FlushStake 中空铆接方式 HollowStake 高压铆接方式 HighPressureStake 埋植 Insertion 成型 Swaging Forming 点焊 SpotWelding 切除 Degating 超声波熔接适用的材料 哪些材料可以用超声波来焊接呢 由超声波的工作原理我们可以知道 超声波的实际功率并不大 工作时间短 所以产生的热量有限 所以一般只适用于一些熔点较低 400 以下 的材料 主要以热塑性的聚合物即塑料为主 我们主要了解一下各种塑料的熔接特性 一般来说 聚合物的熔点越高 其焊接所需的超音波能量越多 材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的 总的说来 愈硬的材料其传导力愈强 影响超声波熔接能量的因素 影响超声波熔接能量的因素 由前面的公式中我们可以看到影响超声波熔接的能量的因素有哪些 其具体表现有哪些呢 1 气压 我们可以通过调压阀来调整 一般来说气压越大 能量越大 2 下降速度 超声波熔接机上有相应的旋钮 一般来说 下降速度越大 能量越大 3 频率 超声波熔接机器都有固定的频率 频率越大 能量越大4 振幅 振幅的变化因素比较多 就一般来说 振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到5 熔接时间 我们可以调整焊接机的焊接时间 时间越长 焊接的能量越大6 保压时间 保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间 时间越长 形成的焊点越稳定 变形越小 影响超声波熔接能量的因素 让我们回顾一下之前的超声波熔接机的工作原理图 超声波熔接机工作原理图 电源 换能器 调幅器 焊头 影响超声波熔接能量的因素 频率 换能器Converter作用 将电能转换成机械能组成 陶瓷晶片和传动头原理 电流经过换能器 令换能器内产生电磁振荡 再经过压电陶瓷片 令压电陶瓷片产生振动 振动经过金属头 传到调幅器表面振幅 20KHz 0 02mm30KHz 0 015mm40KHz 0 01mm 换能器的工作原理 磁伸缩 磁伸缩 MagnetostrictivePrinciple 影响超声波熔接能量的因素 调幅器 调幅器 Booster 影响超声波熔接能量的因素 焊头 焊头 Horn 影响超声波熔接能量的因素 焊头 焊头通常是一个半波长的共振金属块 将振动能量传递到工件上焊头的材料一般选择钛合金 铝合金以及钢铁焊头还可以根据需要进行以下的处理 高碳钢嵌入阳极处理镀铬 雕刻成型焊头 ContourMachinedHorn 全波长焊头 FullWaveHorn 复合式焊头 CompositeHorn 加装压板的焊头 PlungerOnHorn 真空焊头 VaccumHorn 切削焊头 CuttingHorn 影响超声波熔接能量的因素 振幅 超声波熔接夹具 底模 Fixture 在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑 这也是非常重要的 固定的夹具称之为底模 底模的设计主要要考虑以下几点 1 工件吻合这就要求定位准确且牢固 使得工件在焊接的过程中不会移动2 工件支撑要求支撑稳固 不然振幅会被消弱3 定位及取放方便缩短工作时间 提高生产率4 其它特殊要求 超声波熔接机参数调校 以迅捷SJ 26A机型例基本调整程序如下 超声波熔接机参数调校 调幅器选择焊头调谐焊头 工件 底模之间的校准 调整 焊接压力焊接时间保压时间 调整 行程速度下降时间机械式止动器 被焊工件 负载监控表 过载 负载20 至95 过载时候压力较高减低下降速度降低动力触发值用较低比例的调幅器使用功率更大的焊机 焊接不充分增加焊接时间和压力采用更高比例的调幅器 焊接过度减少焊接时间或降低压力采用较低比例的调幅器 工件的检查或试验 欠佳 良好 参数记录 调幅器的选择 焊接面积 面积越大 需要振幅越高工件材料 PP PE 尼龙等较难焊的晶型树脂 需要的振幅较高工件构造 工件有细长的柱子或薄片等容易振裂的 应采用较弱的振幅 ABS 调谐器的选择 能源供应部份必须调谐得与换能器 调幅器 焊头的每种组合相配合正常情况 测试时 负载表的读数应少于20 异常情况 负载大于20 应检查 A焊头是否锁紧 B连接螺杆是否完好 C连接面是否清洁 D焊头是否有裂痕 用油涂于表面 测试音波时 可见到裂痕位置 对位与行程 对位焊头 工件与底模之间的对位工件放于底模 将气压放掉 焊头用力往下拉 对准接触面然后将底模在底板上固定好行程以方便取放工件为宜切记不能将焊头直接接触底模或底板的金属等硬质材料 很可能会导致换能器的破坏 压力 1 压力过低 会延长焊接时间 使工件表面产生疤痕或质量不佳2 压力过高 会使工件破裂 使界面结合欠佳 甚至过载 而终止超声 焊接时间与保压时间 1 过长的焊接时间 会产生飞边或质量下降 特别是严格密封的场合下 更要注意 2 过长的焊接时间 会使工件偏离焊接区 表面熔化或破裂 特别是有孔部位 模合线上或头角处 3 一般0 3S 0 5S 在有弹力装置 材料熔点高或材料有弹性时 要加大保压时间 如 PP PE等 动力触发器 用来控制超声波发出的时间旋钮刻度为1 23 刻度越大 压力越大 范围67N 734N除非要克服变形或需要压缩 弹簧 膜片 密封件 的元件 使用较高的触发压力外 一般都使用较低的触发压力1 5 一般开始参数 设置时 一般由小到大的原则每次调整一种参数压力表 20触发压力 1 5焊接时间 0 5S下降速度 1 5保压时间 1S 超声波熔接结构设计 超声波的熔接结构主要有两种 1 导熔线EnergyDirector2 剪切Shear其中导熔线是最常用的一种结构 也是相对比较稳定的一种结构 剪切的结构就相对比较难以控制 超声波熔接结构设计 导熔线 导熔线是在两个熔接面之一上形成一条三角形的凸出材料 它的的基本作用是聚集能量 使之可以尽快达到熔解的温度 从而得到更好的熔接效果 导熔线的基本设计如下图所示 实际应用时可根据具体要求改变 非结晶聚合物 半结晶聚合物 超声波熔接结构设计 导熔线 导熔线的优点主要有 1 增加熔接强度2 减少溢胶3 减少熔接时间4 需要较小的振幅导熔线的设计主要有以下几种 阶梯型导熔线 StepJoint 阶梯型导熔线主要用于外观上需要精确对位以及不溢胶的设计 沟槽型导熔线 Tongue Groove 沟槽型导熔线主要用于双边不溢胶且能提供对位的功能设计 其也具备一定的防水功能 十字交叉型导熔线 Criss Cross 十字交叉型导熔线是一组导熔线相互垂直交叉 能缩短熔接时间 减少熔接功率 增加熔接强度 但是容易产生段差及溢胶 间断式 连续式 垂直墙壁型导熔线 垂直墙壁型导熔线可以增加抗撕裂力以及减少溢胶 间断型导熔线 InterruptedEnergyDirector 间断型导熔线可以减少溢胶以及焊接能量 但是会降低焊接的强度 凿子型导熔线 KnifeEdgeWithTextureSurface 凿子型导熔线适用于壁厚较薄的零件 但是会降低焊接的强度 咬花导熔面 咬花导熔面主要用于增强熔接强度 如下图所示 防水的导熔线结构 防水的导熔线结构主要用于增加气密性 如下图所示 密封圈 剪切型熔接面 剪切型熔接熔接过程是 首先熔化开始接触的小面积材料 然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引到工件里头去 如图所示 剪切型熔接面 剪切型熔接的优点 1 熔接强度高 气密性好 2 适合所有的塑胶材料 特别是具提早固体特性的半结晶性塑胶剪切型熔接的缺点1 不适用形状复杂或者有直角的转角的结构2 熔接需要坚固的侧边墙壁支撑 不然会变形 3 需要较大的振幅及功率 只适用于小一点的工件 剪切型熔接面 剪切型熔接的熔接深度一般为1 25W 壁厚 最小为0 5W最大为1 75W 干涉量见下表 超声波熔接设计中应注意的问题 超声波熔接应避免以下的设计 超声波熔接设计中应注意的问题 焊头与工件的接触面积越大越好 如果小于熔接区域的面积 会很容易导致表面伤痕 超声波熔接设计中应注意的问题 远场与近场熔接近场熔接指的是熔接面距离焊头接触面的位置在6 356mm以内 大于6 356mm的称为远场熔接 一般尽可能避免远场熔接 近场熔接 远场熔接 超声波熔接设计中应注意的问题 薄膜效应在平的圆型的 壁厚薄的位置容易产生胶件烧穿的现象 解决措施如下 1 减少熔接时间2 改变振幅或频率 并进行振幅剖析3 增加壁厚4 工件内部增加支撑肋5 焊头上设计节点活塞 超声波熔接设计中应注意的问题 其他应考虑的问题 1 熔接的部位不得有涂装 电镀等表面处理 2 增加导熔槽 避免溢胶 案例分析 前盖PC 玻纤 焊头 镜片PMMA 如何换线及调整超音波模具 1 找出要生产的机种模具 下模 上模 如何换线及调整超音波模具 1 安装模具下模 1 将上模安装在振子锥上 逆时针旋转并锁紧 2 将手动 自动音波检查按钮按下 调成手动模式 3 松掉 紧定手柄 及 水平螺丝 4 调整 升降手轮 使模具底部与机台面至少30CM 5 按下开关使模具头压下 调整升降手柄让模具与操作平台轻触 调整水平后 双手同时锁紧四颗水平螺丝 升降手轮 水平螺丝 上模 紧定手柄 操作平台 如何换线及调整超音波模具 2 安装模具下模 1 将产品放入下模中 2 通过摇动升降手轮调整上模具高度 及手动调整底模具位置来确定上下模具吻合 3 确定模具基本吻合后通过调整升降手轮下压产品 压力显示处调到熔接位置即可 4 锁紧固定底模的螺丝 锁紧螺丝及垫片 开关 底模 急停按钮 上模 如何换线及调整超音波模具 音波振幅调整 1 手动按音波检查按钮确认确认音波振幅表内数值小于1A 2 如果电流过载灯亮 或者振幅表数值大于1A 需要调整音波振幅旋钮左右调整 知道振幅表内数值显示小于1A 功率调整旋钮 音波振幅调整旋钮 音波检查按钮 电流过载显示灯 振幅表 电源开关 如何换线及调整超音波模具 超音参数调整 按照超音参数表调整超音参数 功率调整旋钮 气压表 气压调整 延时时间 熔接时间 硬化时间 超声波焊接常见缺陷及处理办法 强度无法达到欲求标准 当然我们必须了解超音波熔接作业的强度绝不可能达到一体成型的强度 只能说接近于一体成型的强度 而其熔接强度的要求标准必须仰赖于多项的配合 这些配合是什么呢 塑料材质 ABS与ABS相互相熔接的结果肯定比ABS与PC相互熔接的强度来的强 因为两种不同的材质其熔点也不会相同 当然熔接的强度也不可能相同 虽然我们探讨ABS与PC这两种材质可否相互熔接 我们的答案是绝对可以熔接 但是否熔接后的强度就是我们所要的 那就不一定了 而从另一方面思考假使ABS与耐隆 PP PE相熔的情形又如何呢 如果超音波HORN瞬间发出150度的热能 虽然ABS材质己经熔化 但是耐隆 PVC PP PE只是软化而已 我们继续加温到270度以上 此时耐隆 PVC PP PE已经可达于超音波熔接温度 但ABS材质已解析为另外分子结构了 由以上论述即可归纳出三点结论 相同熔点的塑料材质熔接强度愈强 塑料材质熔点差距愈大 熔接强度愈小 塑料材质的密度愈高 硬质 会比密度愈低 韧性高 的熔接强度高 超声波焊接常见缺陷及处理办法 制品表面产生伤痕或裂痕 在超音波熔接作业中 产品表面产生伤痕 结合处断裂或有裂痕是常见的 因为在超音波作业中会产生两种情形 1 高热能直接接触塑料产品表面2 振动传导 所以超音波发振作用于塑料产品时 产品表面就容易发生烫伤 而1m m以内肉厚较薄之塑料柱或孔 也极易产生破裂现象 这是超音波作业先决现象是无可避免的 而在另一方面 有因超音波输出能量的不足 分机台与HORN上模 在振动摩擦能量转换为热能时需要用长时间来熔接 以累积热能来弥补输出功率的不足 此种熔接方式 不是在瞬间达到的振动摩擦热能 而需靠熔接时间来累积热能 期使塑料产品之熔点到达成为熔接效果 如此将造成热能停留在产品表面过久 而所累积的温度与压力也将造成产品的烫伤 震断或破裂 是以此时必须考虑功率输出 段数 熔接时间 动态压力等配合因素 来克服此种作业缺失 解决方法 1 降低压力 2 减少延迟时间 提早发振 3 减少熔接时间 4 引用介质覆盖 如 袋 5 模治具表面处理 硬化或镀铬 6 机台段数降低或减少上模扩大比 7 易震裂或断之产品 治具宜制成缓冲 如软性树脂或覆盖软木塞等 此项指不影响熔接强度 8 易断裂产品于直角处加 角 超声波焊接常见缺陷及处理办法 制品产生扭曲变形 发生这种变形我们规纳其原因有三 1 本体与欲熔接物或盖因角度或弧度无法相互吻合 2 产品肉厚薄 2m m以内 且长度超出60mm以上 3 产品因射出成型压力等条件导致变形扭曲 所以当我们的产品经超音波作业而发生变形时 从表面看来好像是超音波熔接的原因 然而这只是一种结果 塑料产品未熔接前的任何因素 熔接后就形成何种结果 如果没有针对主因去探讨 那将耗费很多时间在处理不对症下药的问题上 而且在超音波间接传导熔接作业中 非直熔 6kg以下的压力是无法改变塑料的轫性与惯性 所以不要尝试用强大的压力 去改变熔接前的变形 熔接机最高压力为6kg 包含用模治具的强迫挤压 或许我们也会陷入一个盲点 那就是从表面探讨变形原因 即未熔接前肉眼看不出 但是经完成超音波熔接后 就很明显的发现变形 其原因乃产品在熔接前 会因导熔线的存在 而较难发现产品本身各种角度 弧度与余料的累积误差 而在完成超音波熔接后 却显现成肉眼可看到的变形 超声波焊接常见缺陷及处理办法 制品产生扭曲变形 发生这种变形我们规纳其原因有三 1 本体与欲熔接物或盖因角度或弧度无法相互吻合 2 产品肉厚薄 2m m以内 且长度超出60mm以上 3 产品因射出成型压力等条件导致变形扭曲 解决方法 1 降低压力 压力最好在2kg以下 2 减少超音波熔接时间 降低强度标准 3 增加硬化时间 至少0 8秒以上 4 分析超音波上下模是否可局部调整 非必要时 5 分析产品变形主因 予以改善 超声波焊接常见缺陷及处理办法 制品内部零件破坏 超音波熔接后发生产品破坏原因如下 1 超音波熔接机功率输出太强 2 超音波能量扩大器能量输出太强 3 底模治具受力点悬空 受超音波传导振动而破坏 4 塑料制品高 细成底部直角 而未设缓冲疏导能量的R角 5 不正确的超音波加工条件 解决方法 1 提早超音波发振时间 避免接触发振 2 降低压力 减少超音波熔接时间 降低强度标准 3 减少机台功率段数或小功率机台 4 降低超音波模具扩大比 5 底模受力处垫缓冲橡胶 6 底模与制品避免悬空或间隙 7 HORN 上模 掏孔后重测频率 8 上模掏孔后贴上富弹性材料 超声波焊接常见缺陷及处理办法 产品产生溢料或毛边 超音波熔接后产品发生溢料或毛边原因如下1 超音波功率太强 2 超音波熔接时间太长 3 空气压力 动态 太大 4 上模下压力 静态 太大 5 上模 HORN 能量扩大比率太大 6 塑料制品导熔线太外侧或太高或粗 上述六项为造成超音波熔接作业后产品发生溢料毛边的原因 然而其中最关键性的是在第六项超音波的导熔线开设 一般在超音波熔接作业中 空气压力大约在2 4kg范围 根据经验值最佳的超音波导熔线 是在底部0 4 0 6mm 高度0 3 0 4mm如 此型 尖角约呈60 超出这个数值将导至超音波熔接时间 压力 机台或上模功率的升高 如此就形成上述1 6项造成溢料与毛边的原因 超声波焊接常见缺陷及处理办法 产品产生溢料或毛边 超音波熔接后产品发生溢料或毛边原因如下1 超音波功率太强 2 超音波熔接时间太长 3 空气压力 动态 太大 4 上模下压力 静态 太大 5 上模 HORN 能量扩大比率太大 6 塑料制品导熔线太外侧或太高或粗 解决方法 1 降低压力 减少超音波熔接时间 降低强度标准 2 减少机台功率段数或小功率机台 3 降低超音波模具扩大比 4 使用超音波机台微调定位固定 5 修改超音波导熔线 超声波焊接常见缺陷及处理办法 产品熔接后尺寸无法控制于公差内 在超音波熔接作业中 产品无法控制于公差范围有其下述原因 1 机台稳定性 能量转换未增设安全系数 2 塑料产品变形量超出超音波自然熔合范围 3 治具定位或承受力不稳定 4 超音波上模能量扩大输出不配合 5 熔接加工条件未增设安全系数 解决方法 1 增加熔接安全系数 依序由熔接时间 压力 功率 2 启用微调固定螺丝 应可控制到0 02m m 3 检查超音波上模输出能量是否足够 不足时增加段数 4 检查治具定位与产品承受力是否稳合 5 修