超聲波焊接導(dǎo)熔線設(shè)計

焊接面有導(dǎo)熔線和剪切兩種主要設(shè)計類形.

超聲波導(dǎo)熔線：

超聲波導(dǎo)熔線實際上是在二熔接面之一上形成一條三角形凸出材料，導(dǎo)熔線的基本作用是聚集能量并且迅速把要熔接的另一面熔解，導(dǎo)熔線能快速熔解并達到最高的熔接強 度，原因是導(dǎo)熔線本身的材料熔解并且流到整個熔接區(qū)域，導(dǎo)熔線設(shè)計是非晶型材料所采用最廣泛的熔接面設(shè)計，當然半晶材料亦可采用這種設(shè)計.

導(dǎo)熔線的尺寸和位置取決于以下因素:
1.材料;
2.熔接要求;
3.工件大小;

 導(dǎo)熔線必須愈尖愈好,圓頂或扁平的導(dǎo)熔線將減低熔膠流動的效率,當熔接相對容易熔接的塑料(如高硬度和低熔解溫度的PS),建議導(dǎo)熔線的高度不可低于 0.25㎜,若熔接半晶型或高熔解溫度之非晶型塑料(如PC),導(dǎo)熔線高度不可低于0.5㎜;對于采用導(dǎo)熔線設(shè)計的半晶型塑料(如PA),熔接強度是來自 導(dǎo)熔線三角型的底線之寬度.頂角隨壁厚而改變;原則上導(dǎo)熔線設(shè)置在哪一邊的塑件的熔接面上是沒有任何分別的.但在熔接兩種不同材料的特殊情況下,一般上是 將導(dǎo)熔線設(shè)置在熔解溫度和硬度較高的那一邊的工件的熔接面上;導(dǎo)熔線的設(shè)計要有能相互對位的功能如插針與插孔,肋狀對位片,溝槽設(shè)計,或需要良好的支撐. 熔接區(qū)域不可放置頂針;

下面是幾種比較典型的導(dǎo)熔線的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

階梯熔接面
一階梯熔接面設(shè)計主要用于需要精確對位與完全不可接受過熔或溢膠出現(xiàn)在外露表面的高質(zhì)量要求上；
設(shè)計注 意(圖1.)圍繞整個工件接口之額外0.25至0.64㎜的空隙,這新增的“影線(美工線)”設(shè)計特性使熔接完畢后接口四周將出現(xiàn)0.25至0.64㎜之 空隙.如此會產(chǎn)生美觀的效應(yīng),因為工件與工件之間的變形不易被發(fā)覺.如果完全密合,很可能會在某些位置出現(xiàn)溢膠,在別的位置卻出現(xiàn)微隙;美工線的設(shè)置使微 小的變形不易被察覺.這款導(dǎo)熔線設(shè)計采用與平頭加導(dǎo)熔線設(shè)計一樣的基本概念(就是:材料、熔接要求、工件大小).注意這款設(shè)計的壁厚要求最小尺寸為2㎜

溝槽式之熔接面設(shè)計
—這種設(shè)計的主要優(yōu)點是能從裹外二面防止溢膠,并且可提供對位功能.由于熔膠被封,因此提高達到水氣密的機會. 也由于溝槽的設(shè)計需要一定的公差配合,因此也增加成型的困難度.同時,由于熔接面積的減少,往往造成它的熔接強度比不上平頭接面設(shè)計，這款導(dǎo)熔線設(shè)計采用 與平頭加導(dǎo)熔線設(shè)計一樣的基本概念(就是:材料、熔接加工要求、工件大小).注意這款設(shè)計的壁厚要求最小尺吋為2㎜

咬花面設(shè)計
--此設(shè)計是專為配合導(dǎo)熔線設(shè)計使用,熔接面有咬花形狀可改善整體熔接質(zhì)量和強度,原因在于粗糙面能增進摩擦與 控制熔解(圖3.).通常咬花深度0.076至0.152㎜,其變化視導(dǎo)熔線高度而定.往往得到的優(yōu)點包括強度的增進、溢膠或微粒的減少、熔接時間的減短 以及振幅的減低；

十字交叉熔接面設(shè)計
—在塑件的二熔接面上都設(shè)計導(dǎo)熔線并且使它們互呈垂直交叉,使初接觸面減至最低并使大量的塑料熔接以增加熔接強度(圖4).這種導(dǎo)熔線的每一段尺寸可采取標準導(dǎo)熔線尺寸的60%左右.
若 欲取得水氣密的熔接效果,建議一方的導(dǎo)熔線設(shè)計采用如圖5.所示之連續(xù)鉤齒狀.同時建議導(dǎo)熔線的頂角角度為600而非標準型的900,同時還建議把比鉤齒 狀設(shè)計之導(dǎo)熔線設(shè)置在與焊頭接觸邊的塑件上.應(yīng)注意的是,此款設(shè)計將產(chǎn)生大量的溢膠,因此必須考慮溢膠的問題或采用有溢料槽設(shè)計的熔接面如溝槽式的熔接面 設(shè)計

垂直于墻壁的導(dǎo)熔線設(shè)計
—用于增加抗撕裂與減少溢膠,這種設(shè)計僅適用于只需要結(jié)構(gòu)性的熔接而已;

間斷的導(dǎo)熔線設(shè)計—
可減少熔接面積因此降低能量或所需的功率層級,這種設(shè)計只能用于非水氣密的結(jié)構(gòu)性熔接而已(圖7);

鑿子型導(dǎo)熔線
—為壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖10.)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標準導(dǎo)熔線,熔接強度將會減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接強度取決于導(dǎo)熔線之寬度,當采用此款導(dǎo)熔線設(shè)計時必須配合使用咬花面；

鑿子型導(dǎo)熔線
—為壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖8)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標準導(dǎo)熔線,熔接強度將會減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度并且采用450角.由于熔接強度取決于導(dǎo)熔線之寬度,當采用此款導(dǎo)熔線設(shè)計時必須配合使用咬花面；

特殊熔接面設(shè)計
—為了使較難熔接的塑料或外型不規(guī)則之塑件達到水氣密熔 接,可能需要使用彈性油封與旋繞道以阻隔熔膠之流動.圖9.顯示一種配合“O”型環(huán)的熔接面設(shè)計.有一要點應(yīng)注意“O”型環(huán)在熔接完畢后只壓縮10%至 15%而已.柱狀塑件與插孔(大頭柱子熔接)亦可成功的配合“O”型環(huán)以達到水氣密；

剪切的設(shè)計注意點：
剪切式熔接面設(shè)計
—在熔接尼龍、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯和熱塑性聚酯這類半晶型 塑料時,采用導(dǎo)熔線設(shè)計有時是不能達到預(yù)期效果的.這是因為這類半晶型塑料在相對很狹窄的溫度變化范圍內(nèi)迅速從固態(tài)再變回固態(tài).導(dǎo)熔線熔化時還未來得及與 對面塑件熔合即開始固化,因此熔接強度只賴由三角形之寬度所提供.因此當熔接以上塑料,如果外型許可的話的建議采用剪切式熔接面設(shè)計,可達到理想的熔接效 果.

剪切式熔接面的熔接過程是,首先熔化開始接觸的小面積材料,然后沿著壁面繼續(xù)垂直向下而有控制的導(dǎo)引入下工件裹頭去(請觀看圖10).這種熔 接方式絕對不會讓四周的空氣接觸到熔解區(qū)域,因此可獲得高強度的結(jié)構(gòu)性或水氣密的熔接.由于上述原因,剪切式熔接設(shè)計特別適用于半晶型塑料材料；

焊接面的設(shè)計準則
　　那超聲波焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最重要的就是熔接面的設(shè)計。
為了獲得可接受的、穩(wěn)定性高的熔接效果,必需遵循下述三項基本設(shè)計準則：
1.  兩熔接面的最初接觸面積必須減小，以降低初期與最后的完全熔化所需要的總能量，使 焊頭與工件的接觸時間降低至最少因而減低造成傷痕的機會，也因此減少溢膠；
2. 提供一種能使二熔接面相互對位的方式，在搭配塑件的設(shè)計中可采用插針與插孔，階梯或溝槽的方式，而不應(yīng)采用固定在焊頭或底模內(nèi)的方式，這樣可確保準確與穩(wěn)定的對位并避免造成傷痕；
3. 整個熔接面必須均勻一致與緊密接觸，盡可能保持在同一平面，這樣的形狀能使能量均勻傳導(dǎo)，有利于取得一致的與可控制的熔接效果，并且能減低溢膠產(chǎn)生的可能性；

熔接強度與熔接面垂直向下的熔接面積有直接關(guān)系.強度可由改變?nèi)劢由疃热ミ_到個別應(yīng)用的熔接要求.注意:若熔接強要求超過墻壁的接強,建議熔接深度為壁厚之1.25倍；

剪切式熔接需要有堅固的側(cè)邊墻壁支撐以避免熔接時變形.下工件的四周墻壁高度必須高至接口位置,內(nèi)壁必須與工件外部型體完全吻合.上工件的整體結(jié)構(gòu)也應(yīng)十分堅固以防止內(nèi)傾變形.

對于熔接部位在墻壁中央位置,可采用圖11.所示的變體溝槽設(shè)計.這種設(shè)計也適用于大型塑件的熔接.建議采用單

應(yīng)當注意的是如果工件最大尺吋在89㎜或更大并且復(fù)雜或者有直角的轉(zhuǎn)角就不宜采用剪切式熔接設(shè)計,因為這會給上 下工件之間所必須保持的成型公差帶來困擾.也就是難于保持穩(wěn)定的熔接效果.在這種情況下只能建議采用導(dǎo)熔線設(shè)計.當只需要結(jié)構(gòu)性熔接而已.(即不要求強度 與水氣密),可采用圖13.所示的間斷性的垂直導(dǎo)熔線設(shè)計.如此可減少整個熔接面積,也因此減少所需的能量或功率.傷痕出現(xiàn)的機會亦可大大的減少

提供干涉尺吋與工件尺吋公差對應(yīng)于最大之工件外形尺吋

熔接面設(shè)計的其它考慮：
1.直角轉(zhuǎn)角會聚集應(yīng)力.如果塑件上面有若干應(yīng)力聚集點,在經(jīng)過超音波機械振動后,塑件的高應(yīng)力區(qū)域如轉(zhuǎn)角、邊沿與交界處可能出現(xiàn)斷裂或其它的傷痕.補救的措施是盡量增加轉(zhuǎn)角之圓弧度(0.508㎜).請參閱圖15
2. 塑件上的孔位或缺口像氣孔類的開口會阻斷焊頭傳送出來的超音波能量(圖16).它對熔接的影響取決于塑件材料種類(尤其是半晶型塑料)和開口的大小，在缺 口的正下方幾乎沒有辦法熔接.當塑件上有缺口或有轉(zhuǎn)彎形狀,塑料將會阻礙能量的傳導(dǎo),使能量更難到達熔接面,尤其是剪切式熔接.在塑件設(shè)計過程當中應(yīng)特別 注意避免此類問題的發(fā)生.由于鋼模設(shè)計不當造成塑件內(nèi)出現(xiàn)氣孔,這種情況也會使能量傳導(dǎo)受阻或使塑件穿孔；
3.近場與遠場熔接之對比一近場熔接指 的是熔接面距離焊頭接觸位置在6.35㎜以內(nèi);大于6.35㎜的距離則為遠場熔接(圖17),如上所述,因為半晶型分子結(jié)構(gòu)塑料會阻礙振動能量的傳導(dǎo),所 以難以對它們作遠場熔接.至于非晶型塑料,由于分子隨意排列,振動能量容易在其間傳導(dǎo)并且衰減也很小.在低硬度塑料裹頭也會發(fā)生振動能量的衰減現(xiàn)象.因此 在設(shè)計塑料產(chǎn)品過程當中應(yīng)考慮到是否有足夠的能量傳達熔接面；
4.塑件的分肢,柄,或其它細節(jié)—機械振動會影響塑件內(nèi)外表面上的各種突出物,可能造成斷裂(圖18.)下列各種措施能減低或消除這種影響:

將突出物與主體連接處設(shè)計成最大的圓弧狀.

利用外加手段削減連接處的扭折.

增加材料的厚度.

評估采用其它頻率的超聲波

薄膜效應(yīng)—一種能量聚集效應(yīng)造成塑件出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象.在平的圓形的、壁厚較薄的位置最為常見,通過采取下列一個或結(jié)合數(shù)個措施可以克服這種現(xiàn)象(圖19)
 減少熔接時間
 改變振幅
 采用振幅剖析
 在焊頭上設(shè)計節(jié)點活塞
 增加壁厚
 使用內(nèi)部支撐肋骨
 評估其它頻率

超聲波模具接觸與放置位置在塑件熔接時可扮演舉足輕重的角色.一般而言,焊頭的尺寸應(yīng)該大到足以遮蓋整個工作,因此從頂直接施壓在熔接區(qū)域上,(圖20.)這有 利于機械振動能量的傳導(dǎo)并可避免接觸面留下傷痕.焊頭或塑件的表面也可以在熔接區(qū)域凸起以增進接觸的效能;如此將改善熔接效果的穩(wěn)定度,注意:焊頭與工件 的接觸面必須大于熔接區(qū)域的總面積,否則將有可能導(dǎo)至表面?zhèn)��?

１.相同熔點的塑料材質(zhì)熔接強度愈強。
２.塑料材質(zhì)熔點差距愈大，熔接強度愈小。
３.塑料材質(zhì)的密度愈高（硬質(zhì)）會比密度愈低（韌性高）的熔接強度高。

超聲波焊接應(yīng)用原理：
      利用超聲波振動頻率，接觸摩擦產(chǎn)生熱能使塑料熔融而結(jié)合，依目前較普遍的，即為每秒振動二萬次﹙２０ＫＨＺ﹚與每秒振動１．５萬次﹙１５ＫＨＺ﹚二種（另外尚有數(shù)種特殊振動頻率）。

超聲波焊接機結(jié)構(gòu)
一般來說，在設(shè)計超聲波結(jié)構(gòu)之前，需考慮
·         選擇什么塑料
·         是否只需要結(jié)構(gòu)性的熔接,如果需要的話，要求它能承受多少壓力
·         是否需要水氣密
·         是否有外觀上的要求
·         是否允許有任何溢膠微粒的產(chǎn)生
·         是否還有其它特殊要求等問題。