工程塑料超声波焊接工艺

超声波焊接概念图

一.接合部的接合形状案例
1.斜面接合:
该接合是利用斜面以达到完全的面接合.由于可获得均一的热能及较大的焊接面积,故焊接强度高,气密性好.
①设计时的注意事项
•接合部的倾斜角度越大则焊接面积也就越大,但由于结合面不易产生滑动,故需要较大的能源.另一方面,当倾斜角为锐角时,在焊接时会形成压入状态,并因打开接合部而引起变形、降低了融化密合性等,有可能引起不良问题的发生.在设计是我们必须考虑到成型品的厚度,一般成品厚度应设定在30～60的范围内.
•将要进行焊接的二个成型品在组合时,确定纵向与横向的焊接深度是尤为重要的.虽然所设定的尺寸会因使用塑料的等级与性能要求而异,但纵向与横向的设定标准则为0.4～0.7mm左右.
•为了确保焊接时嵌接状态的稳定性,尽可能地将接合部设计的大一点.实际上成型品的间隙设计的大则不会发生晃荡,且不能有压入.单侧设定为0.05mm左右为最佳.
•为了达到焊接后的制品尺寸(进入量)的稳定,必须设有浇口塞.设定位置为可软化焊接的位置.
•若想防止在焊接时发生融化飞边时,最好能设有飞边滞留.
•以下为最具代表性的斜面接合设计案例,以及该接合形状的焊接强度例.

坎接点例

成型品的焊接位移量

2.逐次接合
属于剪切焊接,由振动方向的面接触结合部获得均一的热量,其气密性、焊接强度都十分良好.但是,焊接后所产生的飞边会滞留在表面,特别是不允许有飞边产生时,一定要注意.
①设计时的注意事项
•接合部倾斜角度的考虑方法斜面接合一样.同时也要考虑到成型品的厚度,我们希望设定在40～50的范围内.
•焊接深度含倾斜部分的设定一般为纵向1.0～1.2mm,横向0.3～0.5mm左右.当纵向的焊接深度发生变化时其焊接强度也会发生变化,焊接量过大的话在焊接时容易产生飞边,由此引发出破裂、气密不良等问题.此外,横向的焊接深度以适当为佳.
•间隙的设定斜面接合一样,单侧设定为0.05mm左右.
•关於浇口塞方面,也同於焊接深度一样,设定在可确实融化焊接的位置上.
•以下为最具代表性的逐次接点设计例,以及该接点形状的焊接强度例.

焊接深度(宽幅方向)

焊接强度和加压条件

3.剪切接合:
介于前面所说的斜面接合与逐次接合之间,由于气密性好,能有效地焊接圆形以外的形状,因而经常被使用.关于设计时的注意事项,与斜面接合相同.以下为最具代表性的剪切接合设计案例,以及该接合形状的焊接强度例.

间隙和焊接尝试

塑料成型品焊接位移量

4.能源定向接合:
这种方式是将能源集中在被称为定向的三角形的凸起部分,由反复冲击产生的热量的接合设计方式.其优点是,形状简单,接合部分的限制较小.但本公司的产品为结晶性工程塑料,过分的局部发热引起软化,熔融,从而引发出压焊应力损失,气密不良等问题,必须引起注意.

定位,间隙,浇口塞

POM M90的能源定向接点

①设计时的注意事项
•接合部的三角形凸起部分为正三角形或等边三角形,前端部的角度设定为60～90度左右为最佳.焊接量的高度方向尺寸与设定角度有关,一般在以0.5mm左右.
•与三角形凸起部分相接触的另一端的成型品的焊接部分,制品的焊接位置的决定以及设置防止融化引起的飞边外露的沟槽.沟槽必须大于焊接时被软化的三角形凸起部分的体积.此时,三角形的凸起的高度为沟槽深度+焊接深度.
•以下为最具代表性的能源定向接合设计例,以及该接合形状的焊接强度例.
二.成型品的设计
1.接合部的形状:
接合部的形状以圆形为最佳.在不得已的情况下,一定要设计成角形或异形形状时,则各边缘倒R角,或尽可能地设计成对称形状.

黏接部形状(1)

2.传递距离:
到焊接部的距离越短,焊接能源的损失就越小.可进行良好的焊接作业.
但是,若圆柱形的成型品为薄型大平板时,焊接位置略高于平板,则从圆柱形接触部分取出等对成型品形状进行必要的修改.

传达距离

黏接部形状(2)

3.与圆柱形工具相接触的成型品:
与圆柱形工具相接触的成型品,尽可能的轻量化,且形状简单.
当与圆柱形工具相接触的成型品含有金属嵌件、轮毂等附件时,因焊接能源传递不及时,很容易导致焊接不良.有时还会因共振造成金属嵌件部分的融化,轮毂等凸出部分发生破裂.所以,凸出部分、嵌件等必须放在固定的夹具上,在万不得已的情况下,请倒R角等以增大制品的强度.

喇叭接触端成型品

4.圆柱形工具的接触面:
请将圆柱形工具的接触面及接合面设计为平面.若设计为阶梯形的话,则会引发焊接能源的传递不均匀,容易造成焊接不良的.

喇叭接触面

5.变形:
有必要控制被焊接品的翘曲变形.若发生翘曲变形时,就会导致焊接面的结合不良,焊接状态不均匀、强度下降、密封性不良等问题.
三.焊接条件
作为超声波焊接的条件,最重要的是施加焊接能源的时间(振动、焊接时间)长短和压力,当然,其他条件也是很重要的.
1.焊接机的能力:
目前市场上有各种类型的焊接机,但必须选择适合于所焊接产品的形状、尺寸的焊接机.
2.圆柱形工具振幅的设定:
与焊接机的能力一样,作为设定焊接机时非常重要的条件之一是,能顺利进行焊接作业的必需部件.在对本公司材料进行焊接时,其振幅最低为40μm(双振幅),有时振幅必须为70～80μm.
3.加压力:
使用圆柱形的工具对成型品进行加压.一般压缩空气压力为0.10.3MPa(压力表),有时会更高一些.但是,如果采用高压的话,则会阻碍圆柱形的振动.若对玻璃纤维增强塑料进行焊接时,则可适当提高压力以得到良好的焊接制品.
4.焊接时间:
因塑料的种类与制品的形状而异,有些成型品的焊接时间只需要0.2秒就已足够了.时间过长会造成过度焊接而产生大量的飞边与气泡,从而导致气密不良,必须注意.
5.冷却(保持)时间:
本公司的材料为结晶性塑料,若温度在融点以下,连接部分就会被凝固,通常加压时间保持在0.1～0.2秒之间.
6.圆柱形工具的下降速度:
逐次接合过快,受冲击处于压入状态下.此外,采用其他接合方式也会损伤到成型品,因此下降速度在50mm/s左右.
7振幅开始时期:
以圆柱形工具与成型品相接触之前或同时发生振动为佳.若在加压状态后才发生振动,则会导致振幅损失.
8.承接工具(图2-15):
使用这类工具的目的是,为了不妨碍接合部的自由振动,将成型品固定在某一个位置上.因直接位于接合部的正下方,必须用金属、热固化性塑料等进行设计.又为了抑制除能源定向以外的连接部分发生横向变形.制品与承接工具的间隙(两端)为0.05～0.2mm左右.此外,务必使圆柱形工具面与承接工具面保持平行.

     ①做成在接点正下方确实承接的形状
②可防止打开制品(接点部)的形状
      ③保持承接工具面与喇叭面成水行状

四.各塑料超声波焊接强度之比较各塑料超声波焊接强度之比较
我们就本公司塑胶原料的焊接强度进行比较,结果如下.与其他塑胶原料相比,除Fortron1140A1(玻璃纤维强化等级)的焊接强度大以外,其他的塑胶原料之间并无太大的差异.

各种等级的超声波焊接强度