各式各樣的超聲波導能筋設計_超聲波焊接接頭設計

超聲波焊接接頭設計

接頭設計是超聲波焊接的最重要方面。接頭設計應在待焊零件還處于設計階段時就加以考慮，并成為模制件的一部分。有各種各樣的接頭設計，每一種都有其具體的特點和優(yōu)點。接頭設計的選擇由塑料種類、零件幾何形狀、焊接要求、機加工和模塑能力、表面外觀等因素決定。

為了獲得合格的、可重復的焊接接頭，必須遵循以下三條通用設計準則：

a．配合表面之間的初始接觸面積應足夠小以集中和減少開始和完成熔化所需的總能量及時間。振動焊頭與零件接觸時間的最小化也降低了劃傷的可能性。由于移動材料少，飛邊也很少。

b．應提供對齊配合件的方式。應采用銷和插座、臺階或榫槽而不是振動焊頭或夾具來對齊零件以確保適當?shù)?、可重復的對準并避免產生壓痕。

c．焊頭接觸位置應布置在接頭區(qū)域正上方以便傳遞機械能量至接頭區(qū)域并降低接觸面產生壓痕的傾向。

導能筋和剪切接頭是主要的接頭設計形式，還有一種不常見的接頭形式—— 斜接接頭。剪切接頭和斜接接頭用于結晶性塑料，通常設計成過盈配合。

5．1導能筋

5．1．1帶導能筋的對接接頭

帶導能筋的對接接頭是最常用的超聲波焊接接頭設計，也最容易鑄成零件。該設計的主要特點是一個鑄在零件配合面的90°或60°小三角形隆起(導能筋)。導能筋將初始接觸限于非常小的區(qū)域并將超聲能量集中在三角形頂部。在焊接循環(huán)過程中，聚集的超聲能量使導能筋熔化和塑料流遍接頭區(qū)域，將兩零件連接在一起。

導能筋最常用于非結晶性塑料，也用于半結晶性塑料。一般90°夾角的導能筋用于非結晶性塑料，60°夾角用于半結晶性塑料。夾角可以依材料、填料、零件幾何形狀或要求的不同發(fā)生改變。對于易焊塑料(非結晶性塑料如ABS、丙烯晴樹脂、丙烯酸、聚苯乙烯)，導能筋的尺寸取決于待焊面積。通常導能筋的最小高度在0.2 和0.6mm 之間。結晶性塑料如尼龍、熱塑性聚酯、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚以及高熔點非結晶性塑料如聚碳酸酯和聚砜較難焊接。對這些難焊塑料，導能筋最小高度在0.4 到0.5mm 之間，夾角通常為60° 。

90° 夾角的導能筋高度至少應為10％的接頭寬度，寬度至少應達到接頭寬度的20％。

圖3為帶90。夾角導能筋的對接接頭。對于厚壁接頭，應使用兩個或多個導能筋，其總高度應等于10％接頭寬度。在焊聚碳酸酯零件時，為獲得密封接頭，零件設計建議用60°　夾角導能筋，導能筋寬度應等于25％到30％壁厚。

圖4為帶6o°夾角導能筋的對接接頭。

圖5顯示零件尺寸的確定應考慮到來自導能筋的熔化材料的流動遍及接頭區(qū)域。在焊接同種材料零件時，可以在任一零件上設計導能筋。但在焊接異種材料組合時，通常將導能筋置于材料有最高熔點和剛性的零件上。在一個焊接零件由共聚物或三聚物(如ABS)組成,另一零件由均聚物(如丙烯酸)組成時,導能筋應置于均聚物零件上。

導能筋在結合面的尺寸和位置,取決于材料種類、使用要求、零件尺寸。導能筋頂部應盡可能尖利。頂部圓形或平直的導能筋不會有效流動。就帶導能筋的半結晶性塑料來說,最大連接強度通常只來自于導能筋的底寬處。導能筋設計要求對齊方式如銷和插座、對齊擋邊、舌槽設計。脫模銷不應置于焊接區(qū)域。由于對接接頭不能自定位,必需用夾具對齊零件。只要配合表面幾乎彼此完全平齊,非結晶性塑料的對接接頭可實現(xiàn)密封。結晶性塑料的對接接頭難以實現(xiàn)密封,這是因為焊接過程中熔液暴露于空氣中,加速結晶及造成熔體氧化降解,使焊縫變脆。

5.1.2帶導能筋的階式接頭

圖6是帶導能筋的階式接頭。該接頭容易模制,用最小的工作量可獲得強而整齊的接頭。由于塑料流入垂直間隙,階式接頭通常比對接接頭強度高。階式接頭剪切強度及拉伸強度都很好, 通常用于需要良好表面外觀的場合。階式接頭用于對齊,適用于外露面過量熔體和飛邊不可接受的場合。階式接頭推薦用于壁厚至少2mm時在焊接結晶性塑料時,應使用60°夾角的導能筋而不是90°的?！　　　?/span>

圖7是基本階式接頭設計的各種變體形式。

5.1.3帶導能筋的棒槽接頭

圖8是帶導能筋的樺槽接頭。該接頭主要用于掃描焊接、零件自定位和防止內外部飛邊。該接頭結合強度是迄今為止討論的三種接頭中最高的。該接頭設計在提供兩零件之間對齊方式的同時,有助于容納內外部飛邊。材料封閉在槽中有助于獲得密封接頭。然而,需要保持榫舌兩側的間隙增加了模塑的難度。

5.1.4紋理表面導能筋設計

如圖9所示,在配合件上模制紋理表面通過增強摩擦性和熔化控制有助于提高整體焊接質量和強度。通常紋理深0.076到0.152mm,依導能筋的高度相應變化。紋理表面通過阻止導能筋的左右移動增強表面摩擦,紋理形成的峰谷也成為阻止熔體流出接頭區(qū)域的障礙,飛邊或微粒減少有更大的表面積用于連接。焊縫強度可能達到無紋理表面的三倍,所需的焊接總能量減少,對振幅要求也更低。

5.1.5十字交叉型超聲波導能筋

如圖10所示,該設計在兩配合面引入彼此垂直的導能筋,在允許可能較大量材料參與焊接的同時提供最小界面接觸。每個導能筋的尺寸大致為普通單個導能筋的60%,夾角為60°,有別于普通導能筋的90°夾角。如果需要氣密或液密封接導能筋應像鋸齒一樣連續(xù)(如圖11)。鋸齒導能筋必須位于與焊頭接觸的零件上。該設計產生非常劇烈的材料流動,因而零件設計必須解決飛邊容留問題(如采用榫槽和階梯設計)。該設計為了實現(xiàn)密封在每個鋸齒導能筋之間無間隙很重要 對于圓形零件導能筋應設計成如圖12所示,高度和夾角依要求的內徑尺寸而定,在外徑上的導能筋夾角增加以彌合導能筋基底之間的間隙。

5.1.6垂直于內壁的導能筋

如圖13所示,用于增加抗剝離力及減少飛邊。該設計應用于只需結構封接的場合。

5.1.7間斷超聲波導能筋

如圖14所示,用于減少總面積和所需的能量和功率級或使零件壓痕降至最少。僅用于需結構 (非氣密)封接的場合。

5.1.8鏨式超聲波導能筋

如圖15所示,一般用于標稱厚度小于等于1. 524mm時。如果用普通的導能筋,會太小(高度小于0.254mm),造成焊縫強度較低。刃口可以高 0.381至0.508mm,角度為45°。鏨式導能筋的另一優(yōu)點是它能置于臺階的內側邊并確保不會滑離狹窄的焊接臺肩。此外,它還可用于引導熔化材料流動遠離開口處。由于焊縫強度局限于焊縫寬度,在用該設計時,總是包含紋理表面。

5.1.9專用接頭

為了在不易焊接的樹脂或不規(guī)則形狀中實現(xiàn)氣密封接,也許有必要使用壓縮封接或熔體流動的遷回路徑。圖16中所示是引入0形圈的接頭設計。0形圈只能在焊縫端部,最大壓縮量為 10%到15%。銷和插座(螺栓焊)使用0形圈設計也可獲得良好結果。

5.2剪切接頭

導能筋接頭設計在某些情況下并不能在結晶性塑料如尼龍、乙縮醛、聚乙烯聚丙烯、熱塑性聚酯中產生預期的結果。這是由于半結晶性樹脂在較窄的溫度范圍內很快地從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài),反過來一樣,來自于導能筋的熔化材料可能在與鄰近接觸面熔合之前再凝固。半結晶性樹脂焊縫強度可能局限于導能筋的底寬。在幾何形狀允許的情況下,這些樹脂推薦采用如圖17所示的剪切接頭。結晶性塑料采用剪切接頭時由于產生熔化需較大的熔化面積,較高能量必不可少。這需要較長的焊接時間或者較大功率和較大振幅。圖17 中的剪切接頭通常用于包含尖角或矩形設計零件的高強度密封,尤其用干結晶性塑料。初始接觸限于狹小區(qū)域,通常是任一零件中的一個凹或臺階。接觸面首先熔化,在零件套進時,沿著垂直壁繼續(xù)熔化。兩熔化表面之間的涂抹作用消除漏隙和孔穴,使之成為強密封的最佳接頭。

剪切接頭的幾個重要方面應加以考慮:

1)上部零件應盡可能薄;

2)外壁應受到夾緊裝置的良好支撐,

3)設計應考慮到動配合:

4)應包含引

下表3給出了相對于最大零件尺寸的過盈量和零件公差的一般性指南。

就剪切接頭來說,焊接的實現(xiàn)首先是通過熔就剪切接頭來說,焊接的實現(xiàn)首先是道過熔化小的初始接觸面積,然后伴隨零件套進沿著垂直以可控過盈持續(xù)熔化。剪切接頭提供零件對齊和均勻的接觸面積。在界面熔化區(qū)域不允許與周圍空氣接觸時,可以實現(xiàn)強的結構或氣密封接由于這個原因,剪切接頭尤其適用于半結晶性樹脂。焊接接頭的強度隨接頭熔降的垂直高度(焊接深度)而變化。焊接深度可以調節(jié)以滿足使用要求,般為0.75倍的壁厚。為了獲得良好的剪切接頭,必須滿足下述條件

1)剪切接頭需娳性側壁支撐以防止焊接過程中產生彎曲。接頭處底面?zhèn)缺诒仨毷艿骄o密符合零件外部形狀的夾緊裝置的支撐。

2)下部零件應有足夠的結構完整性以承受內部彎曲。同理,下零件應至少有2mm的壁厚以防止彎曲

3)上下零件之間的過盈表面應平整和彼此相互垂直。

不推薦采用剪切接頭的情況如下：零件最大尺寸達到76.2mm。有尖角或不規(guī)則形狀的零件這是由于難以保持獲得一致結果必需的模制公差。在這些情況下,建議用導能筋接頭。

對于間隔墻接頭( midwall joint),優(yōu)先釆用如圖18所示的榫槽接頭變體形式。也用于大型零件。推薦僅單邊過盈。

在焊接僅需結構焊縫(不要求強度或氣密封接)的零件時,使用如圖19所示帶間斷導能筋的剪切接頭。該設計減少了總面積,降低焊接零件所需的能量和功率。對零件造成壓痕的可能性也降至最小。

由于焊接大量的樹脂,剪切接頭所需的焊接時間為其它接頭設計的3-4倍,焊后表面可見到定數(shù)量的飛邊。如果出于美學或功能方面的原因,飛邊不可接受,應引入類似圖20中的焊瘤阱「(溢料槽)。圖21是剪切接頭的變體形式。圖22 所示的改進接頭應考慮用于大型零件或上部件深而軟的零件

5.3斜接接頭超聲波導能線

圖23中的斜接接頭通常用于包含圓形或橢圓形設計零件的高強度密封,尤其用于結晶性塑料。斜接接頭要求兩零件的角度均在30到60°之間,相差值在1.5°以內。如果壁厚為0.63mm或更小,角度應為60°。如果壁厚大于等于152m 角度應為30°。壁厚在0.63和1.52m之間,推薦用中間角度。斜面外刃處壁厚至少為0.76mm 以防止焊接過程中裂口或熔透側壁。由于難以保持零件同心度和尺寸公差,斜接接頭并不常用。但在有限壁厚使應用剪切(或改進型)接頭行不通時,高度推薦采用斜接接頭。

改進型斜接接頭如圖24

圖25所示斜接接頭中包含焊瘤阱以容納零件焊接時產生的多余熔化材料。阱的長度應至少等于待焊零件的截面厚度

5.4接頭設計其它考慮享項

5.4.1尖角。

尖角會造成應力集中。在具應力集中的模制件承受超聲機械振動時,在高應力區(qū)可能出現(xiàn)破壞、斷裂、熔化。這種情況可以在角落、邊緣和交叉點具較大半徑(0.508mm)來改善 (如圖26所示)。最低限度,所有角落或邊緣應是斷開的。

5.4.2孔或空洞。如圖27所示,與焊頭接觸的零件中的孔或開口會造成超聲波能量傳遞的中斷。依材料種類(尤其是半結晶性樹脂)和孔的大小而定,在開口下方可能會出現(xiàn)虛焊或漏焊。如果零件中存在孔或轉彎處,樹脂會衰減能量傳遞使振動難以從焊頭觸點傳遞到待焊零件界面。在零件設計時必須注意防止出現(xiàn)這些問題區(qū)域。由于模制工具中的不當排氣,塑料中的氣泡也會衰減振動傳遞或造成這些區(qū)域材料被吹出。

5.4.3近場焊接與遠場焊接分別指離焊頭接觸面小于6.35mm或大于635mm1的焊接。由于半結晶性樹脂衰減能量傳遞難以進行遠場焊接在結品性塑料中,任意取向的分子使振動容易傳遞而很少哀減。衰減也發(fā)生在低剛性(低模量樹脂中。在設計容許充是的能量傳遞到接頭區(qū)域的零件時,必須注意這些問題   

5.4.4附件、突出部或其它零件。如圖28所示,鑄在模塑內或外表面上的附件、突出部或其它零件可能受到機械振動的影響而造成斷裂。為弱化或消除這個問題

在附件與主體交叉區(qū)增加大半徑,通過外部手段減少彎曲,通過增加厚度或者添加加強筋或角撐板來提供附件剛性,評估其它頻率。

5.4.5薄膜效應( diaphragming effect或油罐效應(1-me。爆頭與零件接觸時來回彎曲產生的高溫造成焊頭熔透或燒穿材料一般發(fā)生在與焊頭接觸的零件薄壁截面中的扁平、圓形部分、零件中心或澆口區(qū)域。如圖29所示?？梢酝ㄟ^以下種或多種措施加以解決:縮短焊接時間;提高或降低振囑;振幅分階;波節(jié)沖桿置于焊頭處;加厚壁面;加內支撐筋;評估其它頻率;從焊頭波節(jié)區(qū)至表面施加正風壓;通過夾具抽真空;用通氣焊頭焊接。

5.4.6焊頭的接觸與布置對模制件的成功焊接起重要作用。一般說來,焊頭應大到足以懸于饜件邊緣之上,以便它直接壓在接頭區(qū)域正上方 (如圖30所示)。這樣做有助于引導機械能量并防止對接觸表面產生壓痕。也可增加焊接區(qū)域正上方的焊頭或零件表面以提供更好的接觸,這可以改善能量傳遞的一致性。焊頭與零件之間的接觸面積必須大于總的焊接面積。不能做到這點會產生表面壓痕。

超聲波焊接是最常用的塑料焊接方法。超聲波焊接區(qū)域的熱量增加是機械振動的吸收、連接區(qū)振動(波)的反射及零件表面的摩擦綜合作用的結果。

零件的超聲波焊接性由焊接設備、被焊材料的物理性能、零件的設計和焊接參數(shù)決定。材料焊接的難易程度取決于傳遞高頻振動的能力。通常，彈性模量高的塑料對振動具有較低的內部損耗，因而能傳遞最大能量到接頭處。這意味著材料剛性愈大，超聲波焊接愈容易。

超聲波成功焊接至關重要的是適當?shù)慕宇^設計、適當?shù)暮割^振幅、適當?shù)暮割^接觸面積。

超聲波焊接過程的最佳條件選配需考慮三個主要因素：材料性能、零件和接頭設計、適用性要求。材料性能影響振動能量從焊頭界面至接頭處的傳遞。因此，材料的變化會導致重新評估設計和過程。零件和接頭設計對于決定最終組件中材料的性能方面至關重要。與材料性能一樣，零件設計影響能量傳遞至焊縫區(qū)域的效率。接頭設計在焊接過程中可以起集中應用能量、向接頭提供適當熔液量和提供零件對齊的作用，因而直接影響焊縫質量。由于外加負載、密封要求、接頭外觀、飛邊容差這些因素影響零件接頭類型(接頭設計) 的選擇，因而適用性要求也必須考慮。

導能筋最常用于非結晶性塑料(可獲得密封接頭)，也用于半結晶性塑料(但不能獲得密封接頭)。剪切接頭和斜接接頭用于結晶性塑料。

通常近場焊接用于有較高能量吸收特性的結晶性塑料和低剛性材料,而遠場焊接用于對超聲波能量吸收較低的非結晶性和高剛性材料。