超聲波焊接線的設(shè)計(jì)

塑料超聲波焊接線設(shè)計(jì)

一.前言

　　超聲波焊接技術(shù)是熱塑性塑料可采用的一種焊接工藝。由于超聲波焊接工藝對(duì)大批量生產(chǎn)具有加工速度快,可重復(fù)焊裝的特性而得到普及。只有嚴(yán)格按照超聲波焊接工藝和塑膠材料特性設(shè)計(jì)的超聲波焊接線,才能獲得強(qiáng)度和外觀均佳的焊接件。在此不介紹超聲波焊接原理,因有專(zhuān)著敘述。本文專(zhuān)門(mén)對(duì)焊接件的設(shè)計(jì),特別是焊接連接部分即超聲波焊接線的設(shè)計(jì)作實(shí)踐性的介紹,操作者根據(jù)這些情況可避免產(chǎn)生焊接不良品。

　　焊接件設(shè)計(jì)者根據(jù)這些情況,一開(kāi)始就要考慮采用超聲波焊接。這樣就可避免采用其他工藝而在加工時(shí)引起的麻頻。在設(shè)計(jì)注射模和出模時(shí),就要開(kāi)始要考慮到超聲波焊接工藝,避免最后因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)問(wèn)題而去修改塑膠模具,這樣是很花錢(qián)的,有時(shí)因時(shí)間很緊甚至采用折中的辦法，這都是讓人很煩惱的事情。按照超聲波焊接技術(shù)的要求來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品,不僅要了解超聲波焊接工藝的知識(shí),而且還要了解被加工材料的特性。以下所介紹的內(nèi)容,對(duì)焊縫設(shè)計(jì)是非常重要的。

二. 超聲波焊接工藝步驟

　　在超聲波焊接中,在壓力下,機(jī)械振動(dòng)傳遞到塑件上。由分子間的摩採(cǎi)產(chǎn)生熱量,并使材料的阻尼率增加,則該區(qū)域的塑料就開(kāi)始軟化。由于阻尼系數(shù)增加,該反作用力產(chǎn)生自激,只要增加部分振蕩能量就轉(zhuǎn)換成熱量。接口部分得好后,需要有一段冷卻時(shí)間,然后才可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再加工。超聲波焊接工藝是依靠振蕩體,包括轉(zhuǎn)換器、振幅變換元件和超聲波傳遞頭,超聲波傳遞頭是實(shí)際上的得接工具。   

圖1   超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)變形過(guò)程

                                            各種頻率超聲波焊接振幅推薦

三. 材料因素

　　硬質(zhì)非結(jié)晶體塑料,如PC,PS,SAN,ABS,和PMMA,都有很好的超聲波能量傳通特性, 超聲波振蕩在這些材料上可以通過(guò)很長(zhǎng)距高,傳送到焊接點(diǎn)上 。半結(jié)品聚合物則對(duì)聲音有較高的衰減性,如PA,PP,PE和P0M這些材料。因此這些材料只能接近超聲波焊頭部分的區(qū)域才能焊牢。這兩組材料對(duì)能量的消耗也不同。非結(jié)晶熱塑性塑料焊接時(shí)沒(méi)有明顯的熔接痕跡。隨溫度升高,焊接區(qū)域在成為熔融狀態(tài)之前,先進(jìn)入塑化狀態(tài) 。 對(duì)熱量以及超聲波能量的要求比較低(圖2) ,半結(jié)晶熱塑性塑料有明顯度熔接痕速和較高的熱量要求 。 在焊接時(shí)所需的振幅及超聲波能量比非結(jié)晶塑性塑料高.

　　其它 的同處是非結(jié)晶熱塑性塑料注射后可以立即進(jìn)行焊接接再加工, 而半結(jié)品熱塑性塑料注射后至少要放置二十四小時(shí), 以消除制件內(nèi)部應(yīng)力 。 否則在塑料件焊接時(shí), 其內(nèi)部應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致塑料件收縮變形。

　　　　　　圖2 焊接非結(jié)晶體和半結(jié)晶體材料的熱量消耗

  　 填充添加劑(例如:潤(rùn)滑劑、增塑劑防燃劑、木粉,灰粉、玻璃纖維和云母之類(lèi)的增強(qiáng)劑)會(huì)影焊接性能。因此在設(shè)計(jì)制件和確定焊接參數(shù)時(shí),必須注意這些同題,并采用適當(dāng)?shù)拇胧?，?duì)加工制件要一件一件進(jìn)行試驗(yàn)直至取得最佳結(jié)果為止。例如對(duì)聚酰酸(Poly mides),要注意其水份的含量。若水份含量高會(huì)引起超聲波衰減大,因此焊接性能也差。材料所含水份高,在焊接時(shí)還會(huì)冒出氣泡,這祥就不可能獲得緊密的焊接面。為了防止焊接制件的水份含量過(guò)高,要將注射以后立即放進(jìn)PE塑料袋包起來(lái)。                         

　　若注塑件要采用超聲波焊接,設(shè)計(jì)注射模時(shí)要注意適應(yīng)超聲波焊接工藝。否則加工后的制件會(huì)有以下缺點(diǎn)：                                                             

(1)零件尺寸和重量不穩(wěn)定;

(2)空腔表面有疵點(diǎn)和不均勻處;

(3)材料應(yīng)力和其他加工缺陷。

　　尤其大型注塑件和多型腔模塑成形,或在不同的注塑條件下的尺寸公差,最會(huì)引起不正常焊接。不僅如此,注塑件在焊接部位的飛邊和制件被污染也都會(huì)影響焊接的質(zhì)量。在這種情況下,對(duì)注更件進(jìn)行修整就顯得至關(guān)重要,必要時(shí)需用刀子對(duì)有關(guān)表面進(jìn)行手工修整。

四.超聲波焊接設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　有許多基本頻率可作為設(shè)計(jì)超聲波參數(shù)指標(biāo)時(shí)的參考。這樣可節(jié)省加工時(shí)間、能量和調(diào)換模具的成本。因此,設(shè)計(jì)者首先要確定焊接的方式,以下根據(jù)不同焊接要求介紹幾種焊接方式:  

(1)模塑件焊接;           

(2)鑲嵌焊接;

(3)點(diǎn)焊接;

(4)插套焊接;

(5)模塑板材和織物焊接;

(6)板材、薄片和織物焊接;

(7)鉚接焊接;

(8)凸緣連接焊接;

(9)埋入焊接。   

　　要根據(jù)產(chǎn)品最終要求來(lái)選擇連接方式。 這里包括, 如連接面負(fù)載承受強(qiáng)度、抗?jié)B液性能、外觀光學(xué)透明性能、 選免焊接焼損以及內(nèi)部塑料粉粒狀 。 這些需根據(jù)以下各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn):

(1)連接面的位置、形式和能量傳遞方式;

(2) 焊接位置及頂部和基部側(cè)面的配合公差;

(3)超聲波傳遞頭的接觸方式;

(4)自由埋入距離;

(5)成形工具中的支座。

容易擊穿的位置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避免

容易發(fā)生焊接斷裂的幾種錯(cuò)誤設(shè)計(jì)

1.能量引導(dǎo)

　　能量引導(dǎo)對(duì)設(shè)計(jì)焊接接口很重要。它能確定連接區(qū)域,把能量有目的地傳向這些地方(圖3 )。因?yàn)槟芎牡? 零件只有較小的熱負(fù)載。 如果不在覇 能量引導(dǎo), 就需增加焊接時(shí)間,且焊接范圍也不能確定

(參考圖3) 。焊接強(qiáng)度也會(huì)降低且不穩(wěn)定, 從而引起材料報(bào)廢 。

　　　接口形狀對(duì)超聲波焊接的影響

　能量引導(dǎo)要避免大面積接觸。 圖4所示給出了引導(dǎo)部分的形狀和尺寸設(shè)計(jì) 。 根據(jù)材料和零件尺寸的不同, 引導(dǎo)部分i的設(shè)計(jì)也不一樣。 圖4給出了非結(jié)品和半結(jié)晶材料的焊接鋼性值和機(jī)械損耗值。  

非結(jié)晶和半結(jié)晶塑料接口能量引導(dǎo)設(shè)計(jì)

幾種超聲波焊接線角度的設(shè)計(jì)

2.超聲波焊頭的接觸方式

　　對(duì)半結(jié)品塑料超聲波焊接時(shí), 超聲波傳遞頭和焊接件接觸面積越大越好, 這樣才能確保壓力平均,補(bǔ)償模塑中的誤差,以改善振蕩體和換能器的振蕩波特性。、

超聲波焊接主要采用近距離要焊接(圖5)。只有在硬質(zhì)非結(jié)品體塑料時(shí)才采用長(zhǎng)距離焊接。

　　　　遠(yuǎn)距離焊接和近距離焊接

3.對(duì)接焊接

　　一般的端部接口上采用環(huán)形引導(dǎo)凸緣,也可以在環(huán)形引導(dǎo)角部斷開(kāi)一節(jié)(圖6 )這樣可選免該區(qū)域材料集中,焊接時(shí)引起材料起泡。這個(gè)方法也可防止成形時(shí)材料碎裂和產(chǎn)生應(yīng)力.同樣的原因,在有較長(zhǎng)的焊縫處,在能量引導(dǎo)中最好有間斷,截面形狀可選錐形或凸鍵形。

          盡量避免熔接線直角過(guò)度

為了使對(duì)接焊接件對(duì)準(zhǔn)中心,設(shè)計(jì)人員可選擇用模具或超聲波傳遞頭使焊接件兩個(gè)焊接面對(duì)準(zhǔn),這樣在焊接時(shí)就能有正確的導(dǎo)向(圖7左) 。另一種對(duì)準(zhǔn)中心的方法是用銷(xiāo)釘插入圓孔中(圖7中) 。這些方法都有不需改動(dòng)模具增加成本的優(yōu)點(diǎn)。

                超聲波熔接線設(shè)計(jì)

　　當(dāng)焊接件的公差較大時(shí),可用焊接件自身定位對(duì)準(zhǔn)中心(圖7右) 。但這在焊接緊固零件和薄壁連接件時(shí)就會(huì)引起麻頻。根據(jù)材料性質(zhì),只有低強(qiáng)度無(wú)預(yù)裝配的焊接件才能采用該種方法。但采用這種方法后, 任何滲漏性材料都可改善其滲漏性。

四.階梯接口

　　階梯接口的焊接較容易,光學(xué)透明度好,強(qiáng)度和緊密度也較高(圖8) 。焊接件自身還可起對(duì)準(zhǔn)作用 。 如階梯接口在剪切力和拉力作用點(diǎn)處效果更佳。 如果焊接口外表被一圏環(huán)形凸肩所覆蓋,那么由于焊接引起的不平整就會(huì)被掩蓋,且焊接處的光學(xué)性能也可改善(圖8中)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

超聲波焊接線設(shè)計(jì)

　　因?yàn)楸缓附拥乃芗傆幸欢ǖ墓? 所以必須避免焊接導(dǎo)向部分平面接觸 。 否則會(huì)引起無(wú)法預(yù)料的汽泡。當(dāng)焊接面需要有較高尺寸精度時(shí),外形上可增力間隔的凸鍵 (國(guó)8右) 。這種方法可使焊接件正確對(duì)準(zhǔn)中心, 不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。即使有較大的間隙,不需要對(duì)工件進(jìn)行修整,也可保證被焊接件在重復(fù)焊接時(shí)的整潔外觀 。

5.榫舌和凹槽焊接

　　榫舌和凹槽焊接(圖9 )能確保具有最大焊接強(qiáng)度。焊接時(shí),表面張力使樺舌充滿凹糟間隙。這種焊接能自身對(duì)準(zhǔn)中心, 力學(xué)性能也較好。 其不足之處是需有較高的配合精度和制件壁部較厚 。 解決的辦法是和階梯焊接一樣, 使用間隔凸鍵。

6.擠壓焊接

　　對(duì)POM、 PA這類(lèi)結(jié)晶型熱塑性塑料焊接件的溫度,需在很小的范圍內(nèi)使材料從固態(tài)變到液態(tài),因此要設(shè)計(jì)一種特殊的接口。在此就不必采用能量引導(dǎo),因焊接時(shí)材料向外濺出就無(wú)法控制。

　　擠壓焊接適宜極薄壁焊接(圖10)。采用擠壓焊接,一般都可獲得緊在的焊縫 。 對(duì)較大塑件的焊接也常采用斜面焊接接口(圖10右)。在此情況下,焊接時(shí)富;.,表面張力只朝上或朝下跑,兩焊接件不是大面積接觸。該設(shè)計(jì)能不足之處是不容易控知1l焊接件的算接公差,因此就需采用高能量的能量轉(zhuǎn)換器和較高的振幅能量。

7.對(duì)插焊接

　　對(duì)插焊接是擠壓焊接的一種派生形式。適用于細(xì)長(zhǎng)圓形件的焊接，這樣可以避免產(chǎn)生不同的形狀的焊接口。

焊接時(shí)對(duì)插焊接的插口可起定位作用。一件插在另一件塑料下點(diǎn)或孔中(圖11),這樣就有很高的強(qiáng)度,無(wú)飛出材料。對(duì)插焊接所需焊接能量小,焊接時(shí)間短。

8.點(diǎn)焊         

　　在點(diǎn)焊中, 爆接件互相接蝕, 接縫線不需經(jīng)過(guò)預(yù)處理, 也不需要能量引導(dǎo) 。 超聲波傳遞頭頂端穿過(guò)上片焊接件進(jìn)入下片焊接件, 使焊接件接觸部分的材料塑化(圖12) 。 移動(dòng)自塑料向上流動(dòng)并被固定在超聲波焊接頭上面環(huán)形凹槽圈內(nèi) 。

　　超聲波點(diǎn)焊工藝在大面積、熱成形、吹塑、擠塑制件的焊接中廣泛應(yīng)用。它也適用于不同材質(zhì)的焊接。

9.片材和織物對(duì)制件的焊接

　　超聲渡焊接也能用于織物、塑料、金屬制成的網(wǎng)狀物和熱塑性塑料細(xì)件的焊接。不同的聚合物之間,聚合物和金屬之間的焊接都行。

　　采用能量引導(dǎo)或結(jié)構(gòu)超聲波傳遞頭均可(圖13)。焊接時(shí),塑化材料穿過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成一個(gè)可靠的連接。得接金屬網(wǎng)狀物時(shí)要減小振幅。這點(diǎn)很重要,否則焊接時(shí)會(huì)造成網(wǎng)狀物位移太大而被掘壞。

10. 鑲嵌焊接

　　在某些情況下,需有可靠的密封。因此焊接時(shí)要用一個(gè)有彈性的密封球,例如 O形圈(圖14) 。 這樣, 在加工時(shí)必須確保不使有滲漏的材料進(jìn)入凹槽。另外, 焊接件上的毛邊必須清除干凈。

11.片材、最表和観物的n最

　　焊接塑料復(fù)差片材和紙時(shí), 超聲波能量穿過(guò)焊接件使焊接區(qū)材料塑化。通常在超聲波傳通頭對(duì)面必須有個(gè)支承面(圖15) 。超聲波傳遞頭表面必須加工,,成特殊結(jié)構(gòu),支承面的表面也如此。這種特殊結(jié)構(gòu)可替代能量引導(dǎo)和提高焊接效果

12.超聲波鉚焊       

采用鉚焊方法, 可使熱塑性塑料制件和金屬材料或不可焊接的熱固性塑料

聚合物快速、 干凈地連接在一起。毋需另加固定,并可使用多工位加工。通過(guò)克服聚合物的彈性恢復(fù), 可增加柳接強(qiáng)度 。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是小范圍的加工熱量由超聲波焊頭迅速擴(kuò)散, 有效地控制了材料的熱過(guò)裁。

　　在多點(diǎn)鉚接時(shí)就能體現(xiàn)出超聲波鉚接的效率。 適當(dāng)提高超聲波能量, 就可減少鉚接壓力和結(jié)小超聲波傳通頭接觸點(diǎn)面積 。 因此可以確保僅在鉚點(diǎn)頂端小部分發(fā)生塑化 (圖16) 在大面積接觸和高物接壓力之下,就可能使鉚釘體塑化,從根部處損壞。在這種情況下,會(huì)造成鉚接頭鉚接不良, 因此連接也是不可靠。 帶液壓控制的超聲波頭可確保焊接質(zhì)量, 它可使下壓速度保持恒定的速度,使焊接材料有足夠的成形時(shí)間而不會(huì)外濺。這種方法也可避免冷焊。

在此再介紹一種電子壓痕深度控制裝置。 該裝置可把焊接壓痕點(diǎn)高度控制在o. o5m m以內(nèi)。當(dāng)焊接過(guò)程結(jié)束時(shí),該裝置使超聲渡傳遞頭仍有向下壓力,直到焊點(diǎn)完全固化(保持時(shí)間) 。普通的壓頭往往會(huì)使超聲波傳遞頭的壓力沒(méi)有作用在鉚釘體頭部, 這樣只要施加很小的力就可使焊接后的結(jié)疤或成形不規(guī)則的鉚體頭分開(kāi)。另外, 因?yàn)樗芰系膹幮曰謴?fù)是不能抵消的,所以鉚接體嵌入物處通常留有間隙。

在設(shè)計(jì)鉚接體時(shí),必須使其頂端倒角,這樣便于裝配(圖16中)。倒圓和沉坑可防止裝配時(shí)不希望產(chǎn)生的凹槽影響。另外,鉚接體的直徑和長(zhǎng)度之比不能大于1:2。

超聲波傳遞頭的在超聲波焊接中是必不可少的,對(duì)于那些表面有波紋的,尺寸不規(guī)則的焊件,得接時(shí)還要加固定圈(圖l6右)超聲波柳接焊頭的設(shè)計(jì)方法很多,圖17介紹了超聲波焊頭的設(shè)計(jì),供參改。

超聲波鉚接焊頭及塑料制件的工藝設(shè)計(jì)

13.超聲波凸緣連接焊                                 .

　　超聲波凸緣連接是超聲波鉚接的一種特殊形式。有時(shí)不需鉚接體整個(gè)穿過(guò)焊接時(shí)成可采用凸緣連接焊(圖18)。采用這種方法時(shí)起聲波傳遞的下側(cè)必須預(yù)先成形。

　　凸緣連接焊的加工周期和翻接焊相同。塑化材料在超聲波傳遞頭壓力下冷卻固化。這樣可有數(shù)地限止材料的反彈。這是該工藝很重要的優(yōu)點(diǎn)。且采用超聲波焊頭液壓控制和電子壓痕深度控制裝置,還可提高焊接質(zhì)量,確保重復(fù)連接。

14.鑲嵌金屬零焊件

　　在熱塑性塑料上鑲嵌銷(xiāo)子,鉗件成其他金屬件時(shí),對(duì)其插入孔的尺寸必須仔細(xì)檢測(cè)。其粘度要求也可在零件圖上獲取。孔壁塑化才能鑲嵌住金屬件。根據(jù)被嵌另件的尺寸、形狀可獲得高撓曲, 扭動(dòng)和頂出力矩。超聲波鑲嵌f奉是個(gè)很快的工藝過(guò)程。因此允許置于注射模塑周期的自動(dòng)程序中。硬質(zhì)超聲波焊頭的設(shè)計(jì)很重要, 必頻使超聲波轉(zhuǎn)換器能吸收消除反向振蕩波。

  五.超聲波設(shè)備的作用

　　焊接口和焊接件設(shè)計(jì)不是保證超聲渡焊接工藝質(zhì)量的唯一因素。超聲波焊接設(shè)備和超聲波焊接工藝參數(shù)的選擇對(duì)超聲波焊接質(zhì)量也起著同樣重要的作用 。 現(xiàn)代焊接中的參數(shù)很多, 必須在實(shí)際應(yīng)用中相互搭配 。 以下的工藝順序可作實(shí)際焊接的參考: 首先確定超聲波振幅能量; 其次是加壓力和觸發(fā); 再次是焊接速度; 最后是焊接和固化時(shí)間 。塑料件超聲波焊接工藝及焊接線設(shè)計(jì)此外超聲波振蕩發(fā)生器也是起決定性作用的, 要求它經(jīng)連續(xù)工作后不降低固有性能 。

    親愛(ài)的讀者朋友，本文介紹的超聲波焊接工藝設(shè)計(jì)方法，都是筆者長(zhǎng)期從事超聲波焊接工藝研究總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)工作中遇到有關(guān)不理解不明白地方時(shí)，可以來(lái)電探討13510929282李工。