各式各樣的超聲波導(dǎo)能筋設(shè)計_超聲波焊接接頭設(shè)計

超聲波焊接接頭設(shè)計

接頭設(shè)計是超聲波焊接的最重要方面。接頭設(shè)計應(yīng)在待焊零件還處于設(shè)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(shè)計，每一種都有其具體的特點和優(yōu)點。接頭設(shè)計的選擇由塑料種類、零件幾何形狀、焊接要求、機(jī)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(fù)的焊接接頭，必須遵循以下三條通用設(shè)計準(zhǔn)則：

a．配合表面之間的初始接觸面積應(yīng)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(yīng)提供對齊配合件的方式。應(yīng)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(dāng)?shù)?、可重?fù)的對準(zhǔn)并避免產(chǎn)生壓痕。

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

導(dǎo)能筋和剪切接頭是主要的接頭設(shè)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(jié)晶性塑料，通常設(shè)計成過盈配合。

5．1導(dǎo)能筋

5．1．1帶導(dǎo)能筋的對接接頭

帶導(dǎo)能筋的對接接頭是最常用的超聲波焊接接頭設(shè)計，也最容易鑄成零件。該設(shè)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(dǎo)能筋)。導(dǎo)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(dǎo)能筋熔化和塑料流遍接頭區(qū)域，將兩零件連接在一起。

導(dǎo)能筋最常用于非結(jié)晶性塑料，也用于半結(jié)晶性塑料。一般90°夾角的導(dǎo)能筋用于非結(jié)晶性塑料，60°夾角用于半結(jié)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(jié)晶性塑料如ABS、丙烯晴樹脂、丙烯酸、聚苯乙烯)，導(dǎo)能筋的尺寸取決于待焊面積。通常導(dǎo)能筋的最小高度在0.2 和0.6mm 之間。結(jié)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(jié)晶性塑料如聚碳酸酯和聚砜較難焊接。對這些難焊塑料，導(dǎo)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(dǎo)能筋高度至少應(yīng)為10％的接頭寬度，寬度至少應(yīng)達(dá)到接頭寬度的20％。

圖3為帶90。夾角導(dǎo)能筋的對接接頭。對于厚壁接頭，應(yīng)使用兩個或多個導(dǎo)能筋，其總高度應(yīng)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(shè)計建議用60°　夾角導(dǎo)能筋，導(dǎo)能筋寬度應(yīng)等于25％到30％壁厚。

圖4為帶6o°夾角導(dǎo)能筋的對接接頭。

圖5顯示零件尺寸的確定應(yīng)考慮到來自導(dǎo)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(shè)計導(dǎo)能筋。但在焊接異種材料組合時，通常將導(dǎo)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(dǎo)能筋應(yīng)置于均聚物零件上。

導(dǎo)能筋在結(jié)合面的尺寸和位置,取決于材料種類、使用要求、零件尺寸。導(dǎo)能筋頂部應(yīng)盡可能尖利。頂部圓形或平直的導(dǎo)能筋不會有效流動。就帶導(dǎo)能筋的半結(jié)晶性塑料來說,最大連接強(qiáng)度通常只來自于導(dǎo)能筋的底寬處。導(dǎo)能筋設(shè)計要求對齊方式如銷和插座、對齊擋邊、舌槽設(shè)計。脫模銷不應(yīng)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(jié)晶性塑料的對接接頭可實現(xiàn)密封。結(jié)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(jié)晶及造成熔體氧化降解,使焊縫變脆。

5.1.2帶導(dǎo)能筋的階式接頭

圖6是帶導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度高。階式接頭剪切強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)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(jié)晶性塑料時,應(yīng)使用60°夾角的導(dǎo)能筋而不是90°的。　　　　

圖7是基本階式接頭設(shè)計的各種變體形式。

5.1.3帶導(dǎo)能筋的棒槽接頭

圖8是帶導(dǎo)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(nèi)外部飛邊。該接頭結(jié)合強(qiáng)度是迄今為止討論的三種接頭中最高的。該接頭設(shè)計在提供兩零件之間對齊方式的同時,有助于容納內(nèi)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(cè)的間隙增加了模塑的難度。

5.1.4紋理表面導(dǎo)能筋設(shè)計

如圖9所示,在配合件上模制紋理表面通過增強(qiáng)摩擦性和熔化控制有助于提高整體焊接質(zhì)量和強(qiáng)度。通常紋理深0.076到0.152mm,依導(dǎo)能筋的高度相應(yīng)變化。紋理表面通過阻止導(dǎo)能筋的左右移動增強(qiáng)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(qiáng)度可能達(dá)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(dǎo)能筋

如圖10所示,該設(shè)計在兩配合面引入彼此垂直的導(dǎo)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(dǎo)能筋的尺寸大致為普通單個導(dǎo)能筋的60%,夾角為60°,有別于普通導(dǎo)能筋的90°夾角。如果需要?dú)饷芑蛞好芊饨?/span>導(dǎo)能筋應(yīng)像鋸齒一樣連續(xù)(如圖11)。鋸齒導(dǎo)能筋必須位于與焊頭接觸的零件上。該設(shè)計產(chǎn)生非常劇烈的材料流動,因而零件設(shè)計必須解決飛邊容留問題(如采用榫槽和階梯設(shè)計)。該設(shè)計為了實現(xiàn)密封在每個鋸齒導(dǎo)能筋之間無間隙很重要 對于圓形零件導(dǎo)能筋應(yīng)設(shè)計成如圖12所示,高度和夾角依要求的內(nèi)徑尺寸而定,在外徑上的導(dǎo)能筋夾角增加以彌合導(dǎo)能筋基底之間的間隙。

5.1.6垂直于內(nèi)壁的導(dǎo)能筋

如圖13所示,用于增加抗剝離力及減少飛邊。該設(shè)計應(yīng)用于只需結(jié)構(gòu)封接的場合。

5.1.7間斷超聲波導(dǎo)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(jié)構(gòu) (非氣密)封接的場合。

5.1.8鏨式超聲波導(dǎo)能筋

如圖15所示,一般用于標(biāo)稱厚度小于等于1. 524mm時。如果用普通的導(dǎo)能筋,會太小(高度小于0.254mm),造成焊縫強(qiáng)度較低。刃口可以高 0.381至0.508mm,角度為45°。鏨式導(dǎo)能筋的另一優(yōu)點是它能置于臺階的內(nèi)側(cè)邊并確保不會滑離狹窄的焊接臺肩。此外,它還可用于引導(dǎo)熔化材料流動遠(yuǎn)離開口處。由于焊縫強(qiáng)度局限于焊縫寬度,在用該設(shè)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(shè)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(shè)計也可獲得良好結(jié)果。

5.2剪切接頭

導(dǎo)能筋接頭設(shè)計在某些情況下并不能在結(jié)晶性塑料如尼龍、乙縮醛、聚乙烯聚丙烯、熱塑性聚酯中產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。這是由于半結(jié)晶性樹脂在較窄的溫度范圍內(nèi)很快地從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),反過來一樣,來自于導(dǎo)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(jié)晶性樹脂焊縫強(qiáng)度可能局限于導(dǎo)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(jié)晶性塑料采用剪切接頭時由于產(chǎn)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(shè)計零件的高強(qiáng)度密封,尤其用干結(jié)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(jìn)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(qiáng)密封的最佳接頭。

剪切接頭的幾個重要方面應(yīng)加以考慮:

1)上部零件應(yīng)盡可能薄;

2)外壁應(yīng)受到夾緊裝置的良好支撐,

3)設(shè)計應(yīng)考慮到動配合:

4)應(yīng)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(jìn)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(qiáng)的結(jié)構(gòu)或氣密封接由于這個原因,剪切接頭尤其適用于半結(jié)晶性樹脂。焊接接頭的強(qiáng)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(diào)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(cè)壁支撐以防止焊接過程中產(chǎn)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(yīng)有足夠的結(jié)構(gòu)完整性以承受內(nèi)部彎曲。同理,下零件應(yīng)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(yīng)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(dá)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(jié)果必需的模制公差。在這些情況下,建議用導(dǎo)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(jié)構(gòu)焊縫(不要求強(qiáng)度或氣密封接)的零件時,使用如圖19所示帶間斷導(dǎo)能筋的剪切接頭。該設(shè)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(shè)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(xué)或功能方面的原因,飛邊不可接受,應(yīng)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(jìn)接頭應(yīng)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(dǎo)能線

圖23中的斜接接頭通常用于包含圓形或橢圓形設(shè)計零件的高強(qiáng)度密封,尤其用于結(jié)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(nèi)。如果壁厚為0.63mm或更小,角度應(yīng)為60°。如果壁厚大于等于152m 角度應(yīng)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(cè)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(yīng)用剪切(或改進(jìn)型)接頭行不通時,高度推薦采用斜接接頭。

改進(jìn)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(chǎn)生的多余熔化材料。阱的長度應(yīng)至少等于待焊零件的截面厚度

5.4接頭設(shè)計其它考慮享項

5.4.1尖角。

尖角會造成應(yīng)力集中。在具應(yīng)力集中的模制件承受超聲機(jī)械振動時,在高應(yīng)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(yīng)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(jié)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(zhuǎn)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(shè)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(dāng)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(yuǎn)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(jié)晶性樹脂衰減能量傳遞難以進(jìn)行遠(yuǎn)場焊接在結(jié)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(shè)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(nèi)或外表面上的附件、突出部或其它零件可能受到機(jī)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(qiáng)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(yīng)( diaphragming effect或油罐效應(yīng)(1-me。爆頭與零件接觸時來回彎曲產(chǎn)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。可以通過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(nèi)支撐筋;評估其它頻率;從焊頭波節(jié)區(qū)至表面施加正風(fēng)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(yīng)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(dǎo)機(jī)械能量并防止對接觸表面產(chǎn)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(chǎn)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(jī)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(jié)果。

零件的超聲波焊接性由焊接設(shè)備、被焊材料的物理性能、零件的設(shè)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(nèi)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(guān)重要的是適當(dāng)?shù)慕宇^設(shè)計、適當(dāng)?shù)暮割^振幅、適當(dāng)?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(shè)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(dǎo)致重新評估設(shè)計和過程。零件和接頭設(shè)計對于決定最終組件中材料的性能方面至關(guān)重要。與材料性能一樣，零件設(shè)計影響能量傳遞至焊縫區(qū)域的效率。接頭設(shè)計在焊接過程中可以起集中應(yīng)用能量、向接頭提供適當(dāng)熔液量和提供零件對齊的作用，因而直接影響焊縫質(zhì)量。由于外加負(fù)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(shè)計) 的選擇，因而適用性要求也必須考慮。

導(dǎo)能筋最常用于非結(jié)晶性塑料(可獲得密封接頭)，也用于半結(jié)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(jié)晶性塑料。

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