【设计规范】塑胶件超声波焊接介绍及相关结构设计

时间: 2024-11-02 00:53:45 |   作者: 产品中心

  超声波焊接是利用超声波振动频率，接触摩擦产生热能而使两个塑胶件在焊接界面熔融而固定在一起。超声波焊接是一种快捷、干净、有效的装配工 艺，用于满足塑胶件高强度的装配要求，是普遍的使用的一种先进装配技术，适用于多种类型塑胶件的装配。一般的情况下，超声波焊件具有较高的抗拉 强度，可以取代溶剂粘胶及机械紧固等装配方法，同时还可具有防水、防潮的密封效果。

  超声波焊接时，两个塑胶件从接触到熔化，再到焊接成一体的实物剖视图如下图所示。

  超声波焊接是一种快捷、十净、可靠性高的装配工艺，具有以下优点：1)焊接速度快，效率高。绝大部分超声波焊接可以在0.1〜〇.5 s之内完成； 2)成本低。由于效率高，人力成本低，同时省去了大量夹具、粘合剂或者机械紧固件等的使用，因此超声波焊接是一种非常经济的塑胶件装配方式； 3)强度高。超声波焊接几乎能达到塑胶件本体强度的80%以上； 4)合理的塑胶件设计可以使得超声波焊接达到防水效果； 5)表面上的质量好，焊点美观，能轻松实现无缝焊接； 6)工序简洁，简单易操作，能轻松实现自动化焊接； 7)品质稳定，产品质量稳定可靠，适宜大批量生产； 8)超声波焊接过程清洁、稳定、可靠，而且能量消耗低。

  尽管超声波焊接有众多的优点但超声波焊接也有一定的局限性在选择超声波焊接工艺之前和进行超声波焊接塑胶件零件设计时产品设计工程师必须清楚了解超声波焊接的局限性并通过合理的零件设计来避免超声波焊接缺陷的产生提高焊接的质量

  超声波焊接结构和结构设计的多方面有关。 ①其常常关系到防水防尘、强度等的可靠性设计的基本要求（DFR），设计时是需要参考标准特征选用的。 ②但其又可归类为塑胶件可制造的要求（DFM），一些难以制造的问题常常困扰超声波焊接结构，如导熔线过小过长难以制造导致焊接不好。 ③其又一定要符合装配的DFA的要求，且其质量与超声波焊仪的设备息息相关。 考虑后，作者还是把它归类到DFM塑胶件设计下。 但设计的时候，希望工程师需要仔细考虑到超声波焊接结构标准、DFM检查，DFA检查三方面。

  塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。 热固性塑料可塑但不可逆。第一次加热时可熔化流动，加热到一定温度，产生化学反应，交联固化变硬而形成固体；但这种变化时不可逆的，当重新 受热加压时，热固性塑料不能再次熔化。因此，超声波焊接不能焊接热固性塑料。热塑性塑料可塑又可逆，当第一加热形成固体后，其内部结构仅经 历形态的变化，是可逆的；重新加热和加压时，能够重新熔化并再次形成固体。超声波焊接能够焊接大部分的热塑性塑料。热塑性塑料又分为无定形 塑料和半结晶塑料。 由于二者的分子结构和排布不同，二者的超声波焊接性能又有所差别。 无定形塑料的分子结构呈随机分布，没有一个明确的熔点Tm，其在一个很广泛的温度范围内逐步软化、熔化和流动；而不是一旦加热到某个温度就立 即从固体熔化，然后又立即固化。无定形塑料的这种特性非常易于传导超声波振动能力，能够在较大的压力和振幅范围内进行超声波焊接。半结晶塑 料的分子结构在局部呈规律性分布，有一个明确的熔点Tm。在温度达到熔点之前，半结晶塑料从始至终保持着固态；当温度达到熔点后，整个分子链立刻 幵始运动，并立即固化。无定形塑料和半结晶塑料的熔化过程区別如图3-106所示。

  2)不可拆卸性。超声波焊接是不可拆卸性连接，没有办法进行返工。一旦两个零件过超声波焊接装配成一体，之后假如发现产品存在质量上的问题，那么也无 法进行返工。 3)零件大小和形状的限制。中小型的塑胶件适合超声波焊接，尺寸一般小于250mmx300 mm，较大的零件可能耑要多个焊接工序。而且超声波焊接一 般适用于形状比较单一的塑胶件，对于形状复杂的塑胶件，焊接质量可能较低。 4)超声波的能量很大，在焊接过程中有会造成塑胶件本身因为强度不够而发生损坏，同时也可能造成产品内部其他零部件的损坏。因此，在进行产 品设计时，尽可能增加塑胶件的强度和产品内部其他零部件的强度，或者将零部件远离焊接区域，尽量把强度不高的其他零部件安排在超声波焊接工 序之后再进行装配。//有些电控板上的电子元器件特别必须要格外注意。 5)目前超声波焊接质量对超超声波焊接机的调机技术，以及对操作者的细心程度都有很大的依赖性。很多产品在前几次超声波焊接时会出现焊接不够 牢固或者焊接表面过度熔化等质量上的问题，工程师会误以为超声波焊接的质量就只能达到这一步，但其实绝大多数的质量上的问题可以通过焊接参数调整而 得到解决，不过这需要依赖调机技术以及操作者的细心。最有效的方法是请超声波设备供应商专业人员提供帮助。 6)超声波对于人的听力有伤害，应准备好劳保用品。 //特别是焊接时那一下高音，有些人会特别难受。

  塑料等级对塑料的超声波焊接性能具有很大的影响。同一种塑料的不同等级可能会有不同的熔点和不同的流动特性。

  超声波焊接时，两个塑胶件的初始接触面积必须足够小，以集中能量，同时减少塑料熔化和熔合所需的总体能量。导熔线（或称导熔线柱、超声线） 即是这样的一种结构，是在一个塑胶件焊接界面上凸起的三角形柱，顶端越尖越好，基本作用是将振动能量聚集在三角形的尖端，其后累积的热量在 整个焊接界面形成均匀的塑料熔流。导熔线)增加焊接的强度，减少虚焊。导熔线利于两个塑胶件的熔合，可提高焊接的强度。使用导 熔线的超声波焊接如果发生虚焊，则两个塑胶件之间会出现断差，很容易发现虚焊的缺陷、继而避免虚焊的产生；而没有导熔线的超声波焊接如果发 生了虚焊，则很难通过外观进行辨别。2)减少溢料，提高外观。导熔线使得焊头与塑胶件的接触时间缩短，因此较少溢胶。另外，由于焊接区域变 小，避免了材料堆积从而减少溢胶。通过合理的导熔线及焊接结构设计，超声波焊接可以具有高品质的外观。3)缩短焊接时间。导熔线可减少塑料熔 化和熔合所需的总体能量，继而缩短焊接时间，图3-109所示为无导熔线与有导熔线的焊接时间对比，使用导熔线的焊接塑料更早熔化和熔合成一体。 同时，焊接时间的缩短有助于避免塑胶件长时间焊接而引起的过焊问题。

  超声波焊接的工作原理是通过超声波发生器将50 Hz或60 Hz电流转换成 15、20、30或40 kHz的电能，被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为 同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头，如下图所示。

  焊头将接收到的振动能量传递到待焊接塑胶件的界面，在该区域，振动能量通过摩擦方式被转换为热能，将塑料熔化，振动停止后维持在塑胶件上的 短暂压力使两塑胶件以分子连接方式凝固为一体，如下图所示。

  润滑剂例如蜡、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硬脂酸和脂肪酸等被加入到塑料中用于提高流动性和增加注射性能。但是，在超声波焊接时，润滑剂会减小焊 接界面的摩擦系数，从而影响塑料的超声波焊接性能。

  为了提高塑料的力学性能，塑料中会加入填充剂，常用的填充剂有玻璃纤维、碳纤维、滑石粉以及碳酸钙等。玻璃纤维添加到塑料中用于提高塑料的 机械强度和尺寸稳定性。普通的矿物质填充剂，如玻璃纤维和滑石粉，会提高塑料传导振动的能力，提髙塑料的超声波焊接性能，特別是对于半结晶 塑料。一般来说，10%〜20%的玻璃纤维会显著提高塑料的超声波焊接性能。但是，比例过大会带来其他问题。例如，填充剂的比例若为30%，但在 局部的焊接界面，线%，使得在焊接界面没有足够的塑料熔化而获得理想的焊接质量。当填充剂比例超过40%时，很有可能 在焊接界面不可焊接的材料比可焊接的材料还多，这就意味着超声波焊接性能会变得很差。

  尽管超声波焊接有众多的优点，但超声波焊接也有一定的局限性，在选择超声波焊接工艺之前和进行超声波焊接塑胶件零件设计时，产品设计工程师 必须清楚了 解超声波焊接的局限性，并通过合理的零件设计来避免超声波焊接缺陷的产生、提高焊接的质量。1)材料的限制性。超声波焊接并不能够 焊接所有的塑料，这是超声波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超声波焊接一般仅适合于于—种或者相似塑料之 间的焊接。如果两个塑胶件材料不同，多数时候超声波焊接无能为力。因此，一定选定超声波焊接工艺，就不能轻易更改零件材料。有工程师曾经向 笔者反映，为何对ABS材料的两个塑胶件进行超声波焊接时，焊接质量非常好，但由于其他设计要求，把一个塑胶件的ABS材料换成PBT，就很难焊 接上？就是这个原因。

  由于塑料的可冋收性和为了降低零件材料成本，在塑料中常常会加入回料。超声波焊接允许在塑料中加入回料，因为回料本身是同一种塑料，但是， 回料的比例不能过大，而且回料不能是已经降解的或者被污染的，否则会出现焊接质量问题。为了保证焊接的质量，建议回料的比例越少越好。

  色素对塑料的超声波焊接性能影响较小，除非色素的比例过高。相比其他颜色，白色和黑色通常需要添加更多的色素，冇可能带来一些焊接问题。同 一种塑料的不同颜色可能需要不同的焊接参数，能够最终靠调机来获得。

  超声波焊接的应用非常广泛：(1)汽车行业 汽车行业要求超声波焊接的零部件具有防水性和较高的表面光洁度，例如车头灯；另外，发动机箱内的零部件要求满足较高的力学性能要求。典型应 用实例包括车头灯、前后门、刹车灯、灯座、插座、信号器件、按钮、导风管、仪表板和保险杆等。(2)电子电器行业 电子电器行业要求超声波焊接可提供较高的机械强度，在有些场合，要求一定的外观表面要求。典型应用包括墙壁插座、开关、电源、灯架、吊 灯、温度控制器、洗衣机出水栓、蒸汽熨斗、电池壳、充电器、手机外壳、手机配件、吸尘器、电线)玩具行业典型应用案例包括摇铃、婴儿洗澡温度计、音乐玩具、球类玩具等。(4)日用品业 粉盒、化妆镜、保温杯、密封式容器、调味瓶、水管接头、食品容器、打火机等。 (5)办公产品 要求超声波焊接具有较高的外观品质要求。典型应用案例包括圆珠笔、胶带切割器、文件夹、铅笔盒、订书机、卡式墨水管、书架、文件夹、塑料笔 桶等。下图所示是超声波焊接的一些应用实例。

  具有吸水性的塑胶件应该在注射完成后马上进行超声波焊接。若无法马上进行焊接，应该以装有干燥剂的PE袋进行密封包装；没有密封包装的吸水 塑胶件，在焊接之前应该进行烘干。

  脱模剂经常直接喷洒在模具型腔内，通过减少塑胶件与型腔摩擦力的方式，帮助塑胶件从型腔中脱出。不幸的是，在超声波焊接时，脱模剂也会减小 焊接界面上两塑胶件的表面摩擦力，而超声波焊接工艺正是靠着表面摩擦产生热的，脱模剂会降低超声波焊接性能。另外，脱模剂中的化学物质也会 影响理想焊接强度的获得。因此，对需要进行超声波焊接的塑胶件，必须在注射过程中避开使用脱模剂。如果不得不使用脱模剂，则在焊接前必须 清洗塑胶件，不过只有一些脱模剂能够清理洗涤干净。推荐使用干性脱模剂，其对超声波焊接性能影响最小，甚至不必在焊接进行前清洗。尽可能的避免使用 硅、氟、硬脂酸锌和硬脂酸铝等类型的脱模剂。

  半结晶塑料呈规律性分布的分子结构类似于弹簧，非常容易吸收髙频的超声波振动能量，使得能量很难从焊头传递到焊接界面，必须有足够大的超声 波能量才能使半结晶塑料熔化。因此，相对于无定形塑料，半结晶塑料比较难焊接。为了使半结晶塑料获得较高的焊接质量，往往需要仔细考虑更多的因 素，例如较髙的振幅、合适的焊接界面设计、焊头的接触、焊接的距离以及焊接夹具等。

  在超声波焊接时，还需要仔细考虑其他一些因素，这一些因素包括注射过程的影响、吸水性、脱模剂、润滑剂、塑化剂、添加剂、阻燃剂、回料、色料及塑 料等级等。

  塑料的吸水性是超声波焊接性能的重要影响因素。如果塑料含有过多的水分，在超声波焊接过程中，当温度达到水的沸点时，塑料中的水分蒸发和气 化，焊接界面呈泡沫状，使得超声波焊接强度低，同时很难获得密封性能以及高质量的外观；另外，过多的水分还会造成焊接时间的延长，焊接成本 增加，如图3-108所示。