超聲波熔接技術用于電子體溫計外殼的熔接

戚防義

（泰爾茂醫療產品（杭州）有限公司 杭州）

一、引言

根據客戶的要求，公司需要生產面向日本醫院的防水、一次性電子體溫計。為此考慮利用超聲波熔接技術的特性，使ABS材料的電子體溫計外殼熔接在一起，達到防水的效果。機器選用日本精電社（ΣG-1200型）超聲波熔接機。

二、超聲波熔接技術

超聲波熔接是一種干凈、快捷、有效的裝配工藝，用來裝配處理熱塑性塑料配件，及一些合成構件的方法。超聲波熔接不但有連接裝配功能而且具有防潮、防水的密封效果。塑料加工中所用超聲波的幾種工作頻率有 15 kHz，18 kHz，20 kHz，40 kHz，超聲波熔接工作原理是利用縱波的波峰位，傳遞振幅到焊接件的縫隙，在加壓的情況下，兩個被焊件接觸部位的分子相互撞擊產生熔化，使接觸位熔合，達到熔接目的。

三、實施設計方法

1.水密性熔接條件的基本想法

涉及產品的條件：產品材料，ABS塑料；產品的熔線與產品定位方式，峰谷尖式；產品厚度，0.6～1 mm，內側接觸面高度1～3 mm。

2.產品和制具的定位

（1）制具的設計（圖 1），夾具的受力點（圖1A）；先端最后止住位置（圖1B）；夾具開閉寬度（2 mm左右）；夾具內樹脂形狀與產品弧度一致。

（2）熔接桿和制具的關系，保持水平。

（3）下降速度。下降速度太快，使動態壓力加上重力加速度將把超聲波導熔線壓扁，使導熔線無法發揮導熔的作用，形成假相熔接。

（4）熔接時間。熔接時間過長，不僅使塑料熔化，還可能造成塑料組織焦化，產生砂孔，水即由砂孔滲透而出。

圖1 治具設計

圖2 品質要求

（5）品質要求。熔接后，產品前后溢出狀態一致（圖2B位置）；切斷熔接后實體狀態(圖2A)，要求產品前后間隙均等。

（6）從試做的熔接效果確定式樣。熔接目標，0.73 mm（＋溢出0.1 mm）～0.68 mm內。熔解量在＞0.73 mm時，發生溢出。熔解量＜0.68 mm時，間隙不良。

（7）超聲波熔接條件設定。熔接條件設定傾向見圖3。

圖3 熔接條件設定傾向圖

3.熔接機動作流程和設定

產品熔接模擬圖（圖4），動作流程圖（圖5）。

4.設定良品條件和管理條件（上下限值）

（1）定出下沉量、振幅和破壞強度的關系，尋找最合適的振幅和下沉量。熔接相關的參數，壓力、下沉量和振幅。3個參數中先假定壓力上限0.14 MPa，中心0.12 MPa，下限0.1 MPa。使用壓力上限0.14 MPa進行下沉量和振幅的確認，每個條件熔接10個產品，進行泄漏和破壞強度試驗確認，試驗數據以產品熔接強度為75 N為標準。數據和條件設定見圖6。

（2）確認生產條件 OQ（Operational Qualification）（表 1）。強度保證、產品機能保證、外觀無劃傷保證。

圖4 產品熔接模擬圖

圖5 動作流程圖

圖6 數據和條件設定

表1 生產條件設定組合

圖7 熔接良品曲線

圖8 超聲波輸入到PLC的信號

圖9 PLC輸入到超聲波的信號

上下限產品按n=10(制作熔接半成品)進行相關確認：確認外觀無劃傷、無變形；確認強度，75 N無泄漏（前后各5本）；確認行破壞強度測量（前后各5本）。上上限／下下限條件，強度＞75 N；中心條件＞100 N。

分解上下限產品、進行基板檢查；在振動情況下確認液晶顯示沒有問題。熔接良品曲線圖見圖7。

5.投產時決定的內容

根據實際生產的確認結果，進行下列①～④運用設定。①良品條件內的設備調整（OQ條件范圍內）。②設備維持管理方法（夾具清掃、確認頻率）③產品品質的維持，確定抽檢方式。日常抽檢，根據破斷強度測量值來設定管理值。④按品種設定生產條件。由于品種不同、顏色不同其熔接狀態會發生變化，設定不同的熔接條件。

6.設備實現熔接動作

（1）到熔接為止的設備動作順序按下列流程。①工件安裝?②開始PB?③夾具閉?④前進?⑤熔接?⑥后退?⑦夾具開。產品前后移動采用了IAI（型號）的電動執行器。

（2）通信。采用OMRON CJ1M CPU12型PLC。超聲波設備與PLC的連接信號（圖8、圖9）

（3）設備動作的程序設計。主程序動作時序見圖10。

圖10 動作時序PLC程序

四、效果

按照以上設定，對不同品種不同顏色的電子體溫計進行條件尋找和確認，確定了各自的生產條件。每種產品在相應條件下進行了初期流動，對生產出來的產品進行抽檢，并對抽檢的產品進行破壞試驗，結果表明，泄漏、破壞強度指標都在設定范圍內，滿足了大量流動生產的需求。隨著超聲波技術的發展，在工業生產中，超聲波熔接工藝在某些領域可取代溶劑粘膠機械及其他的粘接工藝，是一種先進的裝配技術，運用將會越來越廣泛。