乾貨 | 塑膠件緊固工藝之四：超聲波焊接（下）

在乾貨 | 塑膠件緊固工藝之四：超聲波焊接（上）中介紹了：

超聲波的三大特性；

超聲波焊接的原理、優點和缺陷性；

超聲波焊接的具體步驟、微觀過程和重要引數；

塑膠的超聲波焊接效能和相容性；

影響塑膠超聲波焊接效能的引數；

本篇文章將介紹塑膠件的

超聲波焊接設計指南

：即如何設計塑膠件，以滿足超聲波焊接的工藝要求，從而保證焊接質量、提高焊接效率和降低焊接成本。

在設計超聲波焊接結構之前，下面這些因素必須充分考慮清楚：

使用塑膠的種類。塑膠不同，對超聲波焊接結構要求也不同。例如，相對於無定形塑膠，半結晶塑膠要求導熔線角度越尖越好；另外，半結晶塑膠儘量避免遠端焊接，否則焊接質量不容易得到保證。

產品尺寸和內部結構。超聲波焊接要求產品尺寸不能過大，產品內部結構必須有利於超聲波焊接能量從焊頭傳輸到焊接介面，同時產品的內部結構必須足夠強壯以抵抗超聲波焊接時的巨大能量。

產品受力。產品受力的大小、型別和方向決定了導熔線設計和佈局。

水氣密的要求；產品如果有水氣密的要求，則導熔線需要達到密封的要求。

外觀的要求。如果產品的外觀要求較高，不允許溢膠的產生，則需要合理的設計超聲波焊接結構以避免溢膠。

是否還有其它特殊要求。

1。 導熔線的設計

1.1 導熔線的概念

超聲波焊接時，兩個塑膠件的初始接觸面積必須足夠小，以集中能量，同時減少塑膠熔化和熔合所需的總體能量。導熔線（或稱導熔線柱、超聲線）即是這樣的一種結構，是在一個塑膠件焊接介面上凸起的三角形柱，頂端越尖越好，基本作用是將振動能量聚集在三角形的尖端，其後累積的熱量在整個焊接介面形成均勻的塑膠熔流。

1.2 導熔線的好處包括：

增加焊接的強度，減少虛焊。導熔線利於兩個塑膠件的熔合，提高焊接的強度。同時，使用導熔線的超聲波焊接如果發生虛焊，則兩個塑膠件之間會出現斷差，很容易發現虛焊的缺陷、繼而避免虛焊的產生；而沒有導熔線的超聲波焊接如果發生了虛焊，則很難透過外觀進行辨別。

減少溢料，提高外觀。導熔線使得焊頭與塑膠件的接觸時間縮短，因此較少溢膠。另外，由於焊接區域變小避免材料堆積而減少溢膠。透過合理的導熔線及焊接結構設計，超聲波焊接可以具有高品質的外觀。

減少振幅。導熔線使得超聲波焊接在滿足焊接質量的前提下，需要較小的焊接能量，繼而可以減小焊接振幅。

縮短焊接時間。導熔線減少塑膠熔化和熔合所需的總體能量，繼而縮短焊接時間，下圖顯示了無導熔線的焊接時間與有導熔線的焊接時間對比，使用導熔線的焊接塑膠更早熔化和熔合成一體。同時，焊接時間的縮短有助於避免塑膠件長時間焊接而引起的過焊問題。

（無導熔線與有導熔線的焊接時間對比）

1.3 導熔線的基本設計

正確的導熔線設計是提高超聲波焊接強度和質量，縮短生產週期的關鍵。導熔線必須具備的條件是最初的接觸面積不可太大。相對於無定形塑膠，半結晶塑膠要求導熔線的角度更尖，這是因為半結晶塑膠本身並不太利於超聲波焊接能量的傳導；一般來說，無定型塑膠的導熔線頂端角度為90°C，半結晶塑膠的導熔線頂端角度為60°C。

導熔線可設計在任意一個焊接零件上，推薦把導熔線設計在與焊頭接觸的塑膠件上。

錯誤的導熔線設計不利於兩個塑膠件之間的超聲波焊接。

（錯誤的導熔線設計）

十字交叉型導熔線

十字交叉型導熔線是指在兩個焊接塑膠件上均設定互相垂直交叉的導熔線，以在焊接時提供最小的初始接觸面積，同時使得兩個零件上的更多的塑膠能夠熔合成一體。十字交叉型焊接能夠提高超聲波焊接強度，縮短焊接時間和減少焊接功率，但容易產生斷差和溢膠。兩個塑膠件上的導熔線尺寸均應當為常規尺寸的60%，導熔線頂端角度為60°。

（十字交叉型導熔線）

當產品有水密和氣密的要求時，可將與焊頭接觸的導熔線連續排列，呈鋸齒形狀，導熔線之間沒有間隙。這種設計的缺點是超聲波焊接為熔合更多塑膠，很有可能造成溢料，影響產品表面外觀質量，適用於溝槽型或階梯型超聲波焊接結構中以隱藏溢料。

（十字交叉鋸齒形型導熔線）

導熔線垂直於壁

導熔線垂直於壁，可以用於提高焊接的抗剝離力以及減少溢膠。這種設計適用於非密封要求的產品中。

（導熔線垂直於壁）

間斷的導熔線

導熔線呈不連續、間斷，可以用於減小焊接能量的設計，這種設計會降低焊接強度，適用於非密封要求的產品中。

（間端的導熔線）

鑿子型導熔線

當塑膠件尺寸小於1。5mm時，常規的導熔線可能會較小，造成焊接強度不夠，可使用鑿子型導熔線。鑿子型導熔線的高度為0。38~0。50mm，角度為45°；鑿子型導熔線位於臺階的內側，可確保焊接時不會脫離狹小的焊接介面，另外還可以使得塑膠熔料遠離產品開口區域。

（鑿子型導熔線）

2。 超聲波焊接的結構

基本型

超聲波焊接結構的基本型，是在焊接平面上設計一條貫穿整個焊接平面的導熔線。基本型的超聲波焊接結構適用於大多數的場合，其缺點是在塑膠件的熔合面有可能會產生溢膠，影響產品外觀質量。

階梯型

階梯型焊接如圖所示。其優點是適當增加兩個塑膠件非焊接介面的間隙（0。13mm~0。51mm）可將焊接熔料可隱藏於間隙中，避免溢膠的產生，具有較高的外觀表面質量。

階梯型焊接一般要求零件的基本壁厚不小於2mm。

溝槽型

溝槽型焊接採用間距式移位焊接，設計時凹凸面保持一定的間隙和斜度，適用於要求完全密封的焊接。同時，溝槽式焊接介面提供自定位功能。適當的增加兩個塑膠件非焊接介面的間隙（0。13mm~0。51mm）可以防止溢料的產生。

溝槽型焊接一般要求零件的基本壁厚不小於3mm。

剪下型

剪下型對於半結晶塑膠，普通結構的超聲波焊接例如基本型、階梯型等很難保證足夠的焊接強度。這是因為半結晶塑膠從固體轉化為熔化狀態是在很短的一個溫度變化區間完成的，轉化的時間極快，反之亦然。因此，在熔化塑膠與對應零件的塑膠熔合在一起之前，有可能有部分塑膠已經固化，造成焊接強度低。

針對半結晶塑膠，建議使用剪下型焊接結構設計。剪下型焊接首先在較小的初始接觸區域進行熔合，然後在一段干涉區域繼續熔合。由於熔合區域沒有與周圍的空氣接觸，剪下型焊接可以保證較高的焊接強度和提高密封效能。

剪下型焊接的強度決定於熔合區域的垂直高度，即焊接深度。一般要求焊接深度為零件焊接處壁厚的1。25倍，兩個塑膠件干涉量以及尺寸精度要求如表1所示。

表1剪下型焊接干涉量設計

為了確保剪下型焊接的質量，需要注意到以下幾點：

側壁的強度需要足夠高以及獲得足夠的支撐，以避免因為焊接過程產生的力而造成側壁變形；而底部焊接零件也必須透過焊接治具進行支撐，治具需要緊靠在零件的四周。

上部塑膠件的強度必須足夠大，以避免在焊接過程中產生變形。同樣的道理，底部塑膠件的壁厚應當大於2mm以避免變形。

上部塑膠件和底部塑膠件在干涉區域的配合面應當是平面，並互相垂直。

焊接塑膠件需要具有較好的製造精度，推薦使用下一節提供的定位柱與定位孔等定位方法來輔助兩個塑膠件的準確對齊。否則，焊接干涉區域的尺寸由於較小而得不到保證，繼而無法確保焊接的強度。

剪下型焊接可以和溝槽型焊接等結構配合使用。

特殊形狀

為了使較難熔接的塑膠件或外型不規則之塑膠件達到水氣密熔接，可能需要使用彈性油封與旋繞道以阻隔熔膠之流動。如圖顯示一種配合O型密封圈的焊接介面設計。

3。塑膠件的超聲波焊接結構設指南

3.1 超聲波焊接零件導向和預定位

在兩個塑膠件焊接介面開始接觸之前，在零件之間設計定位特徵能夠保證兩個塑膠件的準確定位，這有利於提高超聲波焊接的質量和提高焊接的尺寸精度，定位特徵包括定位柱、孔、凸臺和邊等，如圖3-122所示。當然也可以設計輔助夾具來增加定位，作者不推薦這種方法，因為從面向製造和裝配的產品設計理論來看，輔助夾具會帶來產品成本的增加，不是一個最好的方法。

3.2 避免尖角

由於焊接零件上的尖角在注塑過程中產生應力集中，在超聲波機械振動下，很容易發生折斷。所以，對於塑膠件壁與壁的任意連線處呈尖角的地方，都應當設計一定的圓角（至少大於半徑0。5mm）。

3. 3 避免超聲波零部件結構較弱而發生斷裂

塑膠件內部或外部表面附帶的突出或細小特徵會因超聲波振動發生斷裂或脫落，透過以下措施可能減小或消除這種問題：

在細小特徵與主體相交的地方加一個大的R角。

增加細小特徵的厚度或直徑。

3.4 使用近場焊接

近場焊接是指超聲波焊接介面距離焊頭接觸面的距離在6。35mm以內，大於6。35mm的稱為遠場焊接。

無定型塑膠中，分子的無序排列使得振動能量容易在其間傳導並且衰減很，在低硬度塑膠中也會發生振動能量的衰減現象。與之相反，半結晶塑膠中的晶體結構阻礙了振動的傳導，振動衰減很大，使得遠場焊接變得困難。因此，在產品設計時，應考慮到是否有足夠的能量傳達到焊接介面；對於半結晶塑膠，儘量避免使用遠場焊接。

3.5 焊頭位置與焊頭接觸面積

焊頭位置和焊頭與塑膠件接觸是成功焊接的一個關鍵因素。一般來說，焊頭應該足夠大使得其直線投影可以覆蓋整個焊接區域，這一方面可以幫助將超聲波振動能量傳導到焊接區域，另一方面避免在表面留下傷痕。

3.6 焊接與焊頭面平行，且為單一平面

塑膠件的焊接介面必須平行於焊頭面，而且焊接面和焊頭面均要分別要保持在單一平面，從而使得能量均勻傳導，有利於取得一致的焊接效果，並減少溢膠可能性，錯誤的焊接面和焊頭面設計如圖所示。

3.7 超聲波傳導區域避免孔或缺口

與焊頭接觸的塑膠件有孔或其它缺口，則在超聲波傳導過程中會產生干擾和衰減。根據塑膠型別（尤其是半晶體材料）和孔的大小，在開口的下端會直接出現少量焊接或完全熔不到的情況，因此要儘量避免在超聲波傳導區域出現孔或缺口。

3.8 避免薄而彎曲的結構

超聲波的傳播是直線傳播，因此在超聲波的傳播路徑中，應當避免薄而彎曲的結構，否則超聲波振動很難傳導到焊接面，特別對於半晶體材料。

3.9 薄膜效應

薄膜效應是一種能量聚集效應造成塑膠件出現燒穿現象，在平的圓形的、壁厚較薄的位置最為常見，透過採取下列一個或結合數個措施可以克服這種現象：

1） 增加壁厚，如圖所示；

2） 減少熔接時間；

3） 改變振幅；

4） 採用振幅剖析；

5） 在焊頭上設計節點活塞；

6） 新增內部加強筋；

7） 評估其它頻率。

最後，如需進一步的瞭解塑膠超聲波焊接，請學習下圖所示的相關資料（49個檔案），如需獲得該資料:

第1步：關注頭條號公眾號“降本設計”，分享該篇文章到朋友圈、公司內部微信群或產品設計相關微信群等；

第2步：加鍾工微信（3945996）為好友，將分享截圖給鍾工，獲得下載地址。（請勿催促，24小時內提供下載地址）。

《

面向製造和裝配的產品設計指南

》讀者和老朋友轉發隨意，微信鍾工即可

—END—

本篇大部分內容參考書籍《

面向製造和裝配的產品設計指南

》。

1。 免責宣告：部分圖片來源於網路，僅供學習用，侵權刪。

2。 原創作品，歡迎轉載，抄襲必究。如需轉載，請聯絡作者，轉載要求不能修改內容和保留文末作者及公眾號資訊。

鍾元，2011年出版書籍《

面向製造和裝配的產品設計指南

》（DFMA）。

2019年12月即將出版《

面向成本的產品設計：降本設計之道

》（DFC）。

歡迎關注“降本設計”頭條號。“降本設計”專注於面向製造和裝配的產品設計(DFMA)、面向成本的產品設計(DFC)等產品設計知識和理念分享，幫助工程師成長和提高技能，幫助企業降低產品成本。如需交流或加入微信群，請加微信3945996。