塑胶产品设之《超声波线的设计》.doc

超声波线设计 焊接热塑性制品的最普通的方法是超声焊接.这种方法是采用低振幅高频率超声振动能量使表面和分子摩擦产生焊接相连垫塑性制件所需的热量.正弦超声振动 超声焊接在 20-50kHz的频率范围内发生其一般振幅范围为 15-60um.在低达 15kHz较高振幅的声频有时用于较大制件或较软材料.焊接过程通常在 0.5-1.5s内发生.焊接工艺变量包括焊接时间焊头位置和焊接压力.超声焊接设备通常用来焊接中小尺寸的热塑性塑料制品而很大的制品可用多点焊接. 超声焊接方法可根据焊接时间或焊缝位置塌陷距离或焊接能量控制.也对焊接压力和冷却时间提供附加控制. 超声焊接设备一般不是在 20kHz 就是在 40kHz 频率下运行 .20kHz 装置更常用. 接头设计:第一类即最常用的接头类型在被连接表面的垂直方向上利用超声振动.对接和 Z 形接合归入这一类适用于多数聚合物.第二类超声焊接接头包括与接头表面平行的振动形成剪切状态.各种类型的剪切和嵌接归入第二类. 能量控制嚣接点与无定形材料一起使用最佳图 1 所示较大的能量控制嚣结可在一些不密闭的半结晶材料中应用. 不良的对接接头设计 对接接头 焊接时间过长 焊接能量过大 挤出焊体导致外观缺陷 改出的对接接头设计 焊接时间缩短 带有能量导向嚣的 焊接能量减少 对接接头 挤出的溢料可见 焊接面积减少 挤出熔体没有形 附加的溢料收集嚣 成品外观无缺陷 改进的耐剪切性 有助部件定位 Z形接头 挤出熔体没形成外观缺陷 典型的能量控制嚣尺寸/mm 无定形聚合物 半结晶聚合物 尺寸 小部件 大部件 小部件 大部件 h 图 1 无定形和半结晶聚合物所用的能量导向嚣的近似尺寸 此图所示的焊接接头是对普通能量控制接头设计的独特的改进.下 面式件用一个粗糙或有纹理的表面改进.将会提高焊接质量焊接 强度和焊接完成的容易程度.其它许多有纹理的接头外形也是可 行. 溢料问题可通过把溢料污染槽引入接关设计中而降低为安全 一般溢料槽设计至少 10的过度体积容量.紧压接头:为了使溢料形成的可能性最小紧压接头设计的目的是阻挡熔体或将熔体保持在熔区内.紧压接头对半结晶的塑料材料如尼龙是有用的.因为接关结构更复杂紧压接关所需的制件配合公差相对严格.与三角能量导向嚣焊接相比较大的接头结构也需要附加振幅和焊接能量.典型的紧压焊接几何结构如图 2 所示. 15 锥度 图 2 典型的超声紧压焊接结构 制件找平 简单对接没有任何措施解决制件相互找平或对中.制件找平更适于用模塑定位销或双头螺完成.而 z 形接能自动找平且在使用时耐拉伸且改进了搞剪切负荷性.并能消除外部溢料. 滑动间隙 或0.20-0.64mm 或0.20-0.64mm 图3 超声焊接工艺用的典型 z 开接头设计 a 焊接前的 z 接头: b焊接后的 z 形接头:c改进的 z 形接头:台阶附带肩部掩盖了不平性结果使外观改进 槽舌接合不但提供了剪切强度而且提供了拉伸强度.这种接合是自对中的接合区域的壁厚必须相对大以适应槽舌接合设计.另外制件公差要求相对严.间隔加强筋改善了接头找平. 图 4 超声焊接工艺用的典型槽舌接合设计 剪切接头 当焊接半结晶聚合物（或其它难以焊接的聚合物）和需要密封接头号时，一般推荐使 用剪切接。需要高强度，高质量接碚的环形和矩形制件都用剪切接头。剪切接头号具有搭接制件壁部分，当接头被焊接和相互依次嵌入时，搭接部分产生公差和局部剪切。为了促进制件找平，接头包含了调节部分。为了集中熔融能量，一边上的阻碍物的顶角在初始接触面上降低。因为融化材料的温度在整个接触面上保持一致，制件被焊接时，两表面熔融均匀。深度为 1.0-2.0mm 的使用 0.13-0.5mm 范围内的公差值。为了防止在焊接过程中由于公差而产生的外部侧壁翘曲，垂直的制件应尽可能浅， 但在一边用剪切制件改进的槽舌接头可与较深的拉伸制件一起使用，提供中壁接头，它使由于公差而产生的侧壁翘曲最小。如图 5 所示。 间隙 焊接深度 引入 3 公差 2 4 （a）焊接前的部件； （b）焊接后的部件 图 5 典型的超声焊接剪切接头设计和典型的中壁组装剪切接头设计1-槽舌剪切接头：有助于阻止部件向内弯曲；2-支撑夹具：目的是在焊接过程中阻止下面部件壁向外弯曲；3-上面的部件；4-下面的部件 斜坡接合 斜坡接合设计也可为无定形和半结晶聚合物提供高强度密封接头。 斜坡接合是自固定的且最适合小尺寸的圆形或椭圆形制件。斜坡接合的焊接能量要求很高。 部件壁 最小 图 6 超声焊执着用典型的斜坡接合设计（a） 斜坡接合； 改进的斜坡接合（附加公差） 1- 溢料槽；2-夹具 斜坡接合具有 30-60的角且应该在1内装配。为附加的熔区材料厚度增加的0.10-0.25mm 的公差产生焊缝和溢料。 当从功能或审美上不能接受溢料时，就使用收集器。 带嵌入密封装置的焊接 用嵌入的弹性密封圈或韧性垫圈也可获得可靠的密封。 如图7 所示接头制件装有一个弹性环，以改善用超声焊接接合可达到的密封安全性，或在连续的周边焊接不可能的情况下使用。 上层部件 上层部件 图 7 超声焊接 制件通常需要密封接 头 1- 能量导向器； 2- 弹性密封 底层部件 底层部件 电栓焊 超声焊接设备也可生产电栓焊和销套触点焊接。在不需要密封接头的应用中，销套接头可用来连接相同的塑料材料。 一般的超声销窝/铆钉焊接接头 导入/定们孔 4-0. 0. 8m m 销/铆 销末端或孔尖 径向公差 0.2-0.4mm 图8 超声焊接设备可形成销孔型剪切接头 1-溢料收集器2-焊接前3-焊接后 超声铆焊 超声焊接的变异是超声铆焊.即把一个热塑性制件固定在另一个不同材料的制件上的方法.铆钉或凸台在底部应该 有十分大的半径或圆角以防裂纹或熔融.为了集中超声能量，凸台的顶端应该设计成与焊头的初始接触最小。凸台顶部可以是平的或圆锥形的，半结晶或填充的聚合物以圆锥形的较佳。超声铆焊的完整性取决于铆钉和焊头之间的精确容量关系。 标准标桩 埋头标桩 圆顶标桩 空心标桩 图 9 超声焊接设备可生产铆焊或各种结构 1- 1.6mm 的铆钉；2-尖锥触发熔融；3-14.0mm 的铆钉 标准铆焊 直径在 1.6-4.0mm 这间的平头铆钉。 刚性和柔性的不耐磨热塑性塑料推荐使用标准外形。 半球形铆焊 直径小于 1.6mm 的铆钉建议用在半球形铆焊上。对耐磨塑料是合适的。 溢流式铆焊 溢流式铆焊用在要求表面为平的或隆起的及锁信制件的厚度被允许使用的应用中。 空心铆焊 直径大于 4mm 的凸台或铆钉去芯后可生盲孔凸台。 如图 10 所示 当啮合制件中不允许有通孔时，超声焊接设备也能形成机械互锁。模制塑料铆钉（与用于铆焊的类似）和在啮合制件中的盲倒角可形成以公差为基础（假设带倒角的制件不融化）的真正的机械接合。 不同的 材料 机械互锁 完成的接合 图 10 用超声焊接形成机械互锁的示例 1-带软化和变形铆钉的热塑性部件；2-具有倒角的啮合部件；3-超声波焊头 超声焊接的材料因素 超声焊接操作适合于多数热塑性材料。 1 无定形聚合物，特别是室温下外于玻璃态的无定形物，通常是焊接工艺的好 的候选材料。玻璃态无定形聚合物具有良好的透射性能，允许用看近场和远场 焊接技术成功焊接。当材料较软时，开定形材料的超声焊接就成问题。如：焊 接高冲击 ps 将比焊接通用 ps 一般需要更多能量和附加振幅。 2 半结晶聚合物一般更难用超声能量焊接.增加由焊接体系发射的能量值（即 增加振幅）；缩短焊头/制件接触面与接头接口间的距离使用近场超声焊接技 术使用振幅高达 0.05-0.15mm 的焊头.这些高焊接振幅需要使用钛焊头.当 需要高强度、密封组装时，剪切接头和斜坡接合对半结晶聚合物都适用。 ；焊接前干 3 焊接吸湿性聚合物：模塑后马上焊接制件（在它们仍是干燥时） 燥制件；焊接前把制件存放在干燥器内。 目前利用超声设备焊接各种塑件已相当普及 产品包装. 切割. 铆埋 .压花 .打孔.等行业是必不可缺的设备 于是各式各样 各种功能的超声焊接也应运而生 应用领域不同 使用方法和对设备要求大不相同. 现时使用中消费者存在很大的区. 真对这些误区加一说明 （更多精品论文，请浏览 ） 1 焊接原理上理解误区 有相当一部分从事多年超声焊接方面的人员. 对超声能量地传递有一种误解 认为是音波在接触面进行焊接 其实这是一种误解 真正的焊接原理是:换能器把电能转换为机械后 通过工件物质分子进行传导 声波在固体中地传导声阻远小于在空气中的声阻 当声波通过工件接缝时 缝隙中的声阻大 产生的热能相当就大. 温度首先达到工件的容点 再加上一定的压力 使接缝熔接. 而工件的其它部分由于热阻小 温度低不会熔接. 其原理同电工学中的欧姆定律类似.（ 更多精品论文 http:/www.cx5380com. ） 2 工件材料误区: 超声焊接机对要焊接的工件材质也是有要求的 不是所有材料都能焊接有人理解为任何材料都可以焊接这是一个很大的误解. 不同种材质之间有的能更好地焊接 有的是基本能相熔 有的是不相熔的. 同一材料之间熔点是相同的 从原理讲是可以焊接的 但是当要焊接的工件的熔点大于 350时就不在适合用超声焊接了. 因为超声是瞬间使工件分子溶化 判断依据是在 3秒之内 不能良好熔接 就应该选择其它焊接工艺. 如热板焊接等. 一般来讲ABS 料是最容易焊接 尼龙是最难熔接的. 具体焊接材料选择请参考附表: 3焊接工件的工艺误区 超声能量是瞬间爆发地 熔接处应成点或线条 以及传递的距离都要符合超声焊接方式. 有人认为只要是塑料材料 无论怎样接合面都可以良好地焊接 这也是一个错误认识. 当瞬间能量产生时 接缝面积越大能量分散越严重 焊接效果越差 甚至无法焊接. 另外超声波是纵向传波的 能量损失同距离成正比 远距离焊接应控制在 6 厘米以内. 焊接线应控制在 30-80 丝之间为宜 工件的臂厚不能低于 2 毫米 否则不能良好熔接 特别是要求气密的产品.（更多精品论文请浏览 ） 4 超声输出功率误区 超声波输出功率的大小 同压电陶瓷片的直径和厚度、材质 、设计工艺决定 一但换能器定型最大功率也就定型了 衡量输出能量的大小是一个复杂的过成 不是换能器越大电路使用功率管越多 输出能量就越大 它须要相当复杂的振幅测量仪 才能准确测量其振幅 由于大多数使用者对超声知识太了解又加上某些销售人员的误导 给消费者一个错误认识. 消耗电能多少并不能反应输出超生功率的大小 如产生纵向能量低 而消耗电流大 只能说明设备的效率低下. 无功功率大而宜. 更多超声波精品论文请登录 5 超声焊接机种选择误区 使用多大输出功率 振荡频率、振幅范围，要根据工件的材料、焊线面积、工件内是否有电子元器件、是否要气密等因素来考虑。误认为功率越大越好。这也是一个误解。 如果对超声不是太了解。最好请教正规的超声波生产厂工程技术人员。有条件的话最好到厂家现场勾通，不要盲目听从一些非正规超声销售人员的误导。目前生产相关设备的公司特别混杂，其中大部为家庭式作坊，对电路进行生搬硬套仿制，对工作原理似懂非懂。仿制出的设备有以下致命缺陷。其一是外买元材料品质无法保证， 其二生产工艺的核心技术没有掌握。设备在中功率和大功率工作时经常表现出不稳定，产品合格率低。有时会设备损坏。如驱动换能器的功率变压器， 所使用的磁性材料参数无法测量，磁饱和磁通密度（Bs ） 磁感应强度（Bm） 、有效磁导率（Ue） 、剩余磁通密度（Br）、矫顽力（A/M）、损耗因数（tan）、温度系数（au/K1），绕制工艺相当讲究，包扩抽真空浸环氧树质。这些测试设备和生产环境家庭式工厂是无法做到的。所以在勾买超声时，最好先了解一下公司情况，不要盲目听从销售员吹捧，也不要只看价格。只有这样才能日后减少不必要麻烦。 6）焊模结构的误区 超声模具（HORN）型式多种多样，工件的