超声波焊接技术

超声波焊接技术第1页/共35页超声波超过人耳听觉频率极限的一种机械波

超声波焊接原理通过高频率的机械振动波使焊件相对表面快速摩擦产生高热,在一定的接触时间(焊接)、冷却时间（固化）和辅助压力的作用下使焊接件熔合在一起。

超声波焊接原理第2页/共35页超声波焊接全过程两个热塑性元件接合面被放置在一起，放置在固定治具中钛或铝合金制作的焊头接触于上面的塑料件施加可控压力于焊头上，使两个零件夹紧在一起焊头垂直振动。对于预先设定的时间称之为焊接时间。通过详细的结构设计，能够将高频振动传递到两工件的结合面。保压时间，就是在施加了夹紧力并让塑料件熔化后冷却并固化而预先设置的时间。一旦塑料件固化了，那么夹紧力就可以去除，焊头也可以撤回。两个工件被结合在一起，作为整体从固定治具中取出。第3页/共35页超声波技术运用的优点1.快，环保，有效2.消耗极小的能量，生产出牢固的联结方式3.重复操作性好4.无需溶剂，添加剂，化学催化剂或者其他的热能5.设备投入相对低，产能高，使用寿命长在汽车，医疗，电子，电气，玩具，纺织，日用品，包装工业等领域都有广泛的使用第4页/共35页超声波设备元件及其功能完整的一个系统就是由以上四个部分加工件以及固定治具一起组成最基本的超声波设备其组成部分发电器将电源转换为需要的频率电能，虽然使用的操作频率各不相同，但是一般用于工业生产的频率普遍在15，20，30，40KHz，且为了再简化，一般提供给客户的设备手册上标定的频率都是20KHz，如无特别标注换能器调幅器焊头由发电器产生的高频电能通过电缆到换能器，将其转换成垂直的，低振幅的机械运动/振动随后这个振动将被传递到调幅器中，用于增加或者减少振幅。振幅取决于材料，设备的类型，工作的方式。所以说改变振幅适应加工工件是非常必要的。一般有3：1，2：1，0.5：1增加或者减少振幅规格的调幅器振幅将传递到具有特定形状和尺寸的焊头，以此将其传递到工件上，焊头的形状也会增加振幅第5页/共35页原理图发电器提供高频电能给换能器换能器又将其转换为超声波机械振动调幅器调整焊头和换能器之间振幅焊头将其传递给贴合的工件第6页/共35页运用超声波技术的系统种类手持型具有更高的实用性压床型更精准的控制性转换型便捷的转换装配型转盘型高生产率集合型具有更高的生产性，可同时对多个装配体或者一个装配体中多个位置进行加工第7页/共35页超声波焊接中物料的选择及其熔接特性

通常不同材质的塑胶原料是较难互相熔接熔点不同化学结构不同热塑性塑料的可焊性能量转化能量耗散自黏合和恢复材料本身的性能决定了其传声效果材料本身的性能决定了机械能转换热能的能力材料本身的性能决定了其熔融面自黏结的速度和程度第8页/共35页超声波焊接中物料的选择及其熔接特性

填料玻璃纤维矿物粉脱模剂可焊性影响大填料对所选热塑性塑料超生波可焊性影响的一般原则具体填料对具体聚合物可焊性的影响只能通过试验确定回料发泡剂色粉润滑剂防火剂第9页/共35页超声波焊接中物料的选择及其熔接特性

对吸湿性树脂而言，含水量可能会造成问题。焊接受潮的零件时，水气泡可能在交接处产生泡沫现象，导致外观及粘合强度不良。含水量脱模剂直接喷于模穴表面的脱模剂会阻碍热的产生及熔融。然而，可印刷/可上漆等级的脱模剂不会造成妨碍，因此无须清除。染料大部份染料不影响焊接性，但部份油基染色剂则会降低焊接强度。阻燃剂添加物会大幅降低聚合物的焊接性。第10页/共35页超声波焊接中物料的选择及其熔接特性

近场熔接是指熔接面距焊头接触面在1/4英寸(6.35mm)以内远场熔接是指熔接面距焊头接触面在1/4英寸(6.35mm)以外第11页/共35页第12页/共35页第13页/共35页超声波焊接中物料的选择及其熔接特性

第14页/共35页工件接合面的设计接合面的设计是实现工件间结合性好坏的关键工件材料结合面的几何形状熔接要求接合面的设计种类有很多种，都各有其优点接合面的设计基本三要素统一接触面最初小的接触区域对准同一结合平面，接合处紧密相接建立在两个接合面间的最先接触的区域保证接合面的接触不偏移，需要使用限位槽，定位销，等对准接合面第15页/共35页工件接合面的设计－能量聚焦器焊件中沿焊线的一个小三角形凸台超声波能量传递到工件上聚焦在三角形的焊线上，使其迅速熔化，分子在接合面件流动，并固化本身不提供对准途径，也不提供防止溢料的设计要求优点：能耗低焊件划痕少循环周期短缺点：某些材料的焊接强度有限存在溢料适合无定型聚合物（易于达到一定的密封性）适合半结晶型聚合物第16页/共35页工件接合面的设计－能量聚焦器第17页/共35页能量聚焦型－级式结合优点：得到一个十分坚固及不易察觉之接合面

缺点：存在溢料第18页/共35页能量聚焦器－舌糟吻合式接合面

最小壁厚3.05mm-3.12mm优点：防止内外部溢料焊接牢固缺点：设计相对复杂第19页/共35页剪口式接合面优点：较高密封性焊接强度高适合所有材料缺点：尺寸公差要求严格能耗相对高可能需要复杂固定治具（固定治具防止其互相挤压而产生偏移，故治具与工件要求高的匹配性第20页/共35页半结晶聚合物对径尺寸应小于88.9mm最大焊件尺寸每侧过盈量（范围）焊件尺寸公差第21页/共35页剪口式接合面－凸缘剪口优点：焊接面不易察觉缺点：焊接强度相对差第22页/共35页凸缘剪口－产品设计实例密封圈镜片熔接线痕迹SUNXDA700FRAME-LENS第23页/共35页零件的设计注意点近场－远场近场焊接的效果要优于远场焊接，远场焊接需要比近场焊接需要更高的振幅，更长的焊接时间，更大的施加压力才能够达到与近场同等的焊接效果。远场适合于无定型聚合物第24页/共35页零件的设计注意点平行接触为了达到一个较好的焊接效果，焊接面需同一平面，且平行于焊头的接触面，这样有助于超声能量平均等距的传递到工件焊接面上。同样的道理，焊头的平面也需是一个单一的平面，平行于焊接接合面。近场和远场的原理图中也是满足这个标准的图ａ其焊接接合面与焊头接触面不平行，这就导致了能量传递不均衡，传递到右侧的位置要晚于左侧的位置，使左侧已经过热和熔解，而右侧则刚开始熔解。焊接强度一侧过牢一侧比较弱

图ｂ虽然焊接面和焊头是平行的，但是却不是同一个平面，也会导致能量传递不均衡的问题图ａ焊头面是同一个面但是和焊接接合面不平行图ｂ焊头面和焊接面平行但是却不是同一平面第25页/共35页超声波铆接

铆接工艺是另一种利用超声波能量连接部件的常用方法。通常采用机械方式连接不相似材料部件，即在其中一个热塑性塑料部件上模压一个凸起，插入另一个部件的孔中，从而连接两个部件运用的情况两个不能焊接的材料适合简单固定形式优点：1.时间短2.牢固不反弹3.一个铆头可形成多个铆点4.很高的重复性和高控制度5.消耗品去除（黏着剂/螺钉）设计准则：使用接触域小且高振幅的焊头，使局部受热，迅速熔化使用下降速率可控的焊头施加轻微的力在有限的联接区域用预触发压力控制其铆头和铆料粘连下降速度慢防止铆柱断裂在保压时间内施加相对大的保压压力使其材料间保持较强的结合力好的铆接效果取决于合适的工艺参数以及铆柱和铆洞的合适设计合适的铆接柱设计会有一个很强的固定强度以及无溢料外观设计要点：铆头和铆钉的接触区域尽量的小，集中能量使其迅速可控的熔化第26页/共35页五种铆钉结构设计-铆椿

≥1.6ｍｍ

第27页/共35页五种铆钉结构设计-圆顶铆

铆钉尺寸小于1.6ｍｍ

适合含玻纤树脂2D0.5D第28页/共35页五种铆钉结构设计-中空铆

铆钉设计大于或等于4ｍｍ

防止铆钉表面下沉或者空心

降低了焊接时间

需修理此处时，方便去除铆接部位，用螺钉再联接第29页/共35页五种铆钉结构设计-节铆

装配简单加工快速

无需注重外观性，铆后尺寸形状等没有精确要求

第30页/共35页五种铆钉结构设计-齐平铆

铆后表面不能有凸起，外观需求第31页/共35页埋插是将金属元件嵌入到塑料件中的装配形式嵌插工件之方法通常应用于嵌插金属工件进入塑胶工件中。容纳插件之孔位,通常比插件之外围尺寸细,须将高频能量输入插件及利用压力将插件插入塑胶工件中,或将高频能量输入塑胶工件而利用压力将塑胶工件套进插件。当插件与塑胶孔磨擦时,便会产生热能而使插件易于压入，当高频能量消失时,工件便会定形，插入件便会牢固在塑胶工件内优点：塑胶工件不会被插裂。塑胶工件不会留下内应力

当设计嵌插工件及嵌插孔之尺寸一定要考虑有足够的塑胶料热熔后填满嵌插工件的四周空位第32页/共35页垂挂