塑料件的設(shè)計(jì)
代注塑方式能有效提供比較完美的焊接用塑膠件。光我們決定用超聲波焊接技術(shù)完成熔合時(shí)，塑料件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須首先考慮如下幾點(diǎn)：
  1 焊縫的大?。匆紤]所需強(qiáng)度）
  2 是否需要水密、氣密
  3 是否需要完美的外觀
  4 避免塑料熔化或合成物的溢出
  5 是否適合焊頭加工要求
焊接質(zhì)量可能通過(guò)下幾點(diǎn)的控制來(lái)獲得：
  1 材質(zhì)
  2 塑料件的結(jié)構(gòu)
  3 焊接線的位置和設(shè)計(jì)
  4 焊接面的大小
  5 上下表面的位置和松緊度
  6 焊頭與塑料件的妝觸面
  7 順暢的焊接路徑
  8 底模的支持
為了獲得完美的、可重復(fù)的熔焊方式，必須遵循三個(gè)主要設(shè)計(jì)方向：
  1 最初接觸的兩個(gè)表面必須小，以便將所需能量集中，并盡量減少所需要的總能量（即焊接時(shí)間）來(lái)完成熔接。
  2 找到適合的固定和對(duì)齊的方法，如塑料件的接插孔、臺(tái)階或企口之類。
  3 圍繞著連接界面的焊接面必須是統(tǒng)一而且相聯(lián)系互緊密接觸的。如果可能的話，接觸面盡量在同一個(gè)平面上，這樣可使能量轉(zhuǎn)換時(shí)保持一致。
下面就對(duì)塑料件設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)進(jìn)行分類舉例說(shuō)明：
整體塑料件的結(jié)構(gòu)
1.1塑料件的結(jié)構(gòu)
塑料件必須有一定的剛性及足夠的壁厚，太薄的壁厚有一定的危險(xiǎn)性，超聲波焊接時(shí)是需要加壓的，一般氣壓為2-6kgf/cm2 。所以塑料件必須保證在加壓情況下基本不變形。
1.2罐狀或箱形塑料等，在其接觸焊頭的表面會(huì)引起共振而形成一些集中的能量聚集點(diǎn)，從而產(chǎn)生燒傷、穿孔的情況（如圖1所示），在設(shè)計(jì)時(shí)可以罐狀頂部做如下考慮
○1 加厚塑料件
○2 增加加強(qiáng)筋
○3 焊頭中間位置避空
1.3尖角
如果一個(gè)注塑出來(lái)的零件出現(xiàn)應(yīng)力非常集中的情況，比如尖角位，在超聲波的作用下會(huì)產(chǎn)生折裂、融化。這種情況可考慮在尖角位加R角。如圖2所示。
1.4塑料件的附屬物
注塑件內(nèi)部或外部表面附帶的突出或細(xì)小件會(huì)因超聲波振動(dòng)產(chǎn)生影響而斷裂或脫落，例如固定梢等（如圖3所示）。通過(guò)以下設(shè)計(jì)可盡可能減小或消除這種問(wèn)題：
○1 在附屬物與主體相交的地方加一個(gè)大的R角，或加加強(qiáng)筋。
○2 增加附屬物的厚度或直徑。
1.5塑料件孔和間隙
如被焊頭接觸的零件有孔或其它開(kāi)口，則在超聲波傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干擾和衰減（如圖4所示），根據(jù)材料類型（尤其是半晶體材料）和孔大小，在開(kāi)口的下端會(huì)直接出現(xiàn)少量焊接或完全熔不到的情況，因此要盡量預(yù)以避免。
1.6塑料件中薄而彎曲的傳遞結(jié)構(gòu)
被焊頭接觸的塑件的形狀中，如果有薄而彎曲的結(jié)構(gòu)，而且需要用來(lái)傳達(dá)室遞超聲波能量的時(shí)候，特別對(duì)于半晶體材料，超聲波震動(dòng)很難傳遞到加工面（如圖5所示），對(duì)這種設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免。
1.7近距離和遠(yuǎn)距離焊接
近距離焊接指被焊接位距離焊頭接觸位在6mm以內(nèi)，遠(yuǎn)距離焊接則大于6mm，超聲波焊接中的能量在塑料件傳遞時(shí)會(huì)被衰減地傳遞。衰減在低硬底塑料里也較厲害，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意要讓足夠的能量傳到加工區(qū)域。
遠(yuǎn)距離焊接，對(duì)硬膠（如PS，ABS，AS，PMMA）等比較適合，一些半晶體塑料（如POM，PETP，PBTB，PA）通過(guò)合適的形狀設(shè)計(jì)也可用于遠(yuǎn)距離焊接。
1.8塑料件焊頭接觸面的設(shè)計(jì)
注塑件可以設(shè)計(jì)成任何形狀，但是超聲波焊頭并不能隨意制作。形狀、長(zhǎng)短均可能影響焊頭頻率、振幅等參數(shù)。焊頭的設(shè)計(jì)需要有一個(gè)基準(zhǔn)面，即按照其工作頻率決定的基準(zhǔn)頻率面。基準(zhǔn)頻率面一般占到焊頭表面的70%以上的面積，所以，注塑件表面的突超等形狀最好小于整個(gè)塑料面的30%。一滑、圓弧過(guò)渡的塑料件表面，則比標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬，且突出位盡量位于塑料件的中部或?qū)ΨQ設(shè)計(jì)。
塑料件焊頭接觸面至少大于熔接面，且盡量對(duì)正焊接位，過(guò)小的焊頭接觸面（如圖6所示），會(huì)引起較大損傷和變形，以及不理想的熔接效果。
在焊頭表面有損傷紋，或其形狀與塑料件配合有少許差異的情況下，焊接時(shí)，會(huì)在塑料件表面留下傷痕。避免方法是：在焊頭與塑料件表面之間墊薄膜（例如PE膜等）。
焊接線的設(shè)計(jì)
2 焊接線的設(shè)計(jì)
焊接線是超聲波直接作用熔化的部分，其基本的兩種設(shè)計(jì)方式：
○1 能量導(dǎo)向
○2 剪切設(shè)計(jì)
2.1能量導(dǎo)向
能量導(dǎo)向是一種典型的在將被子焊接的一個(gè)面注塑出突超三角形柱，能量導(dǎo)向的基本功能是：集中能量，使其快速軟化和熔化接觸面。能量導(dǎo)向允許快速焊接，同時(shí)獲得最大的力度，在這種導(dǎo)向中，其材料大部分流向接觸面，能量導(dǎo)向是非晶態(tài)材料中最常用的方法。
能量導(dǎo)向柱的大小和位置取決于如下幾點(diǎn)：
○1 材料
○2 塑料件結(jié)構(gòu)
○3 使用要求
圖7所示為能量導(dǎo)向柱的典型尺寸，當(dāng)使用較易焊接的材料，如聚苯乙烯等硬度高、熔點(diǎn)低的材料時(shí)，建議高度最低為0.25mm。當(dāng)材料為半晶體材料或高溫混合樹(shù)脂時(shí)（如聚乙碳），則高度至少要為0.5mm，當(dāng)用能量導(dǎo)向來(lái)焊接半晶體樹(shù)脂時(shí)（如乙縮荃、尼龍），最大的連接力主要從能量柱的底盤寬帶度來(lái)獲得。
沒(méi)有規(guī)則說(shuō)明能量導(dǎo)向應(yīng)做在塑料件哪一面，特殊情況要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，當(dāng)兩個(gè)塑料件材質(zhì)，強(qiáng)度不同時(shí)，能量導(dǎo)向一般設(shè)置在熔點(diǎn)高和強(qiáng)度低的一面。
根據(jù)塑料件要求（例如水密、氣密性、強(qiáng)度等），能量導(dǎo)向設(shè)計(jì)可以組合、分段設(shè)計(jì)，例如：只是需要一定的強(qiáng)度的情況下，分段能量導(dǎo)向經(jīng)常采用（例如手機(jī)電池等），如圖8所示。
2.2能量導(dǎo)向設(shè)計(jì)中對(duì)位方式的設(shè)計(jì)
上下塑料件在焊接過(guò)程中都要保證對(duì)位準(zhǔn)確，限位高度一般不低于1mm，上下塑料平行檢動(dòng)位必須很小，一般小于0.05mm，基本的能量導(dǎo)向可合并為連接設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單的對(duì)接，包括對(duì)位方式，采用能量導(dǎo)向的不同連接設(shè)計(jì)的例子包括以下幾種：
插銷定位：圖9所示為基本的插銷定位方式，插銷定位中應(yīng)保證插銷件的強(qiáng)度，防此超聲波震斷。
臺(tái)階定位：圖10所示為基本的臺(tái)階定位方式，如h大于焊線的高度，則會(huì)在塑料件外部形成一條裝飾線，一般裝飾線的大小為0.25mm左右，創(chuàng)出更吸引人的外觀，而兩個(gè)零件之間的差異就不易發(fā)現(xiàn)。
圖11所示臺(tái)階定位，則可能產(chǎn)生外溢料。圖12所示臺(tái)階定位，則可能產(chǎn)生內(nèi)溢料。圖13所示臺(tái)階定位為雙面定位，可防止內(nèi)外溢料。
○1 企口定位：如圖14所示，采用這種設(shè)計(jì)的好處是防止內(nèi)外溢料，并提供校準(zhǔn)，材料容易有加強(qiáng)密封性的獲得，但這種方法要求保證凸出零件的斜位縫隙，因此使零件更難能可貴于注塑，同時(shí)，減小于焊接面，強(qiáng)度不如直接完全對(duì)接。
○2 底模定痊：如圖15所示，采用這種設(shè)計(jì)，塑料件的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，但對(duì)底模要求高，通常會(huì)引致塑料件的平行移位，同時(shí)底模固定太緊會(huì)影響生產(chǎn)效果。
○3 焊頭加底模定位：如圖16所示，采用這種設(shè)計(jì)一般用于特殊情況，并不實(shí)用及常用。
○4 其它情況：
A：如圖17所示，為大型塑料件可用的一種方式，應(yīng)注意的是下支撐模具必須支撐住凸緣，上塑料件凸緣必須接觸焊頭，上塑料件的上表面離凸緣不能太遠(yuǎn)，如必要情況下，可采用多焊頭結(jié)構(gòu)。
B：如連接中采用能量導(dǎo)向，且將兩個(gè)焊面注成磨砂表面，可增加摩擦和控制熔化，改善整個(gè)焊接的質(zhì)量和力度，通常磨砂深度是0.07mm-0.15mm。
C：在焊接不易熔接的樹(shù)脂或不規(guī)則形狀時(shí)，為了獲得密封效果，則有必要插入一個(gè)密封圈，如圖18所示，需要注意的是密封圈只壓在焊接末端。圖19所示為薄壁零件的焊接，比如熱成形的硬紙板（帶塑料涂層），與一個(gè)塑料蓋的焊接。
2.3剪切式設(shè)計(jì)
在半晶體塑料（如尼龍、乙縮醛、聚丙烯、聚乙烯和熱塑聚脂）的熔接中，采用能量導(dǎo)向的連接設(shè)計(jì)也許達(dá)不到理想的效果，這是因?yàn)榘刖w的樹(shù)脂會(huì)很快從固態(tài)轉(zhuǎn)變成融化狀態(tài)，或者說(shuō)從融化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。而且是經(jīng)過(guò)一個(gè)相對(duì)狹窄的溫度范圍，從能量導(dǎo)向柱流出的融化物在還沒(méi)與相接界面融合時(shí)，又將很快再固化。因此，在這種情況下，只要幾何原理允許，我們推薦使用剪切連接的結(jié)構(gòu)。
采用剪切連接的設(shè)計(jì)，首先是熔化小的和最初觸的區(qū)域來(lái)完成焊接，然后當(dāng)零件嵌入到下起時(shí)，繼續(xù)沿著其垂直壁，用受控的接觸面來(lái)融化。如圖20所示，這樣可能性獲得強(qiáng)勁結(jié)構(gòu)或很好的密封效果，因?yàn)榻缑娴娜刍瘏^(qū)域不會(huì)讓周圍的空氣進(jìn)來(lái)。由于此原因，剪切連接尤其對(duì)半晶體樹(shù)脂非常有用。
剪切連接的熔接深度是可以調(diào)節(jié)的，深度不同所獲得的強(qiáng)度不同，熔接深度一般建議為0.8-1.5mm，當(dāng)塑件壁厚及較厚及強(qiáng)度要求高時(shí)，熔接深度建議為1.25X壁厚。
圖21所示為幾種基本的剪切式結(jié)構(gòu)：
剪切連接要求一個(gè)塑料壁面有足夠強(qiáng)度能支持及防止焊接中的偏差，有需要時(shí)，底模的支撐高于焊接位，提供輔助的支撐。
下表所示為零件大小尺寸和接觸面、零件誤差的大概尺寸：
零件最大尺寸 接觸面尺寸 零件尺寸允許誤差

零件最大尺寸	接觸面尺寸	零件尺寸允許誤差
＜18mm	0.2mm-0.3mm	±0.025mm
18mm-35mm	0.3mm-0.4mm	±0.05mm
＞35mm	0.4mm-0.6mm	±0.075mm

當(dāng)零件尺寸大于90mm時(shí)，或零件有不規(guī)則的形狀時(shí)，建議不采用剪切連接。這時(shí)因?yàn)樽⑺軙r(shí)很難控制誤差及變形使其保持一致。如果是上述情況，建議采用能量導(dǎo)向的形式。sc-jxjj.cn 欣宇超聲波