塑料超聲波嵌插技術

張勝玉

（廣州市特種設備行業協會，廣東 廣州 510380）

塑料超聲波嵌插技術

Plastic ultrasonic intercalation technologgyy

張勝玉

（廣州市特種設備行業協會，廣東 廣州 510380）

超聲波嵌插是將金屬件嵌入塑料工件的裝配方法。它兼具傳統嵌件模塑高性能強度與脫模后安裝的優點。可同時嵌插多個嵌件，適合于自動化、大批量生產。本文對超聲波嵌插原理及過程、嵌插適應性、嵌插設計、工藝參數、設備要求、特點、常見問題分析及處理進行了論述。

超聲波嵌插；嵌件；安裝孔；焊頭；鋸齒邊；滾花；凹槽；螺紋嵌件

工業生產上常常需要將套筒螺母/螺紋襯套（threaded bush）封入塑料件中。傳統上這是通過夾物模壓/嵌件模塑（insert molding）來完成的。夾物模壓有幾個缺點：由于嵌件不慎跌落減慢制模機的速度，增加鑄模損傷風險。在需要多個嵌件時，這些問題更加嚴重。超聲波嵌插使在鑄模完成之后封裝嵌件成為可能，避免了上述問題。而且制模機可自動運轉，因而提高了生產率。

1 超聲波嵌插原理及過程

超聲波嵌插的基本原理是超聲振動通過驅動件傳遞到金屬和塑料界面，金屬嵌件相對塑料的振動產生摩擦熱，引起塑料瞬間局部熔化。在嵌件被推進到位時，熔化塑料流入嵌件鋸齒邊和凹槽。超聲能量中止時，塑料再凝固，鎖定嵌件。

超聲波嵌插是通過超聲振動使嵌件推入塑料（圖1a）或是塑料工件壓過金屬嵌件（圖1b）來實現的。在絕大多數嵌插應用中，焊頭接觸嵌件。但焊頭接觸塑料工件而不是嵌件有幾個優點。焊頭接觸金屬嵌件時遇到的焊頭磨損問題得以緩和，可以采用鍍鉻的鋁或鈦焊頭。而且，噪聲值降低，功率要求也沒有那么高。

2 各種塑料的超聲波嵌插適應性

超聲波嵌插適用于絕大多數熱塑性塑料。與普通的超聲波焊接相反，一般說來，塑料愈軟，愈容易超聲波嵌插。表1列出了各種常用熱塑性塑料超聲波嵌插難易程度。

圖1 超聲波嵌插原理簡圖

表1 常用熱塑性塑料超聲波嵌插難易程度

3 超聲波嵌插設計

超聲波嵌插的安裝孔稍小于嵌件的直徑，是通過模壓成或在塑料工件上鉆孔而成。孔提供一定程度的過盈并導入嵌件。金屬嵌件通常設計帶有外滾花、凹槽或螺紋以承受施加在成品組件上的負載。嵌插件可以是各種各樣的零件外形，如平的、圓的等。最常用的是圓的螺紋嵌件。

嵌件或孔的設計由功能特性或使用要求決定。必須位移足夠量的塑料以填滿嵌件外部凹槽、滾花和/或螺紋來鎖定嵌件并產生所需要的使用強度。主要為拔拉強度設計的典型螺紋嵌件應有多個凹槽以提供最大抗力（見圖2）；在需要最大抗扭強度時，嵌件應有長軸直紋滾花（見圖3）。設計有凹槽和滾花的組合嵌件既能獲得拔拉強度也能獲得抗扭強度。

圖2 螺紋嵌件

圖3 錐形嵌件

嵌件安裝孔應設計成有足夠量的材料因嵌件而移位。這些材料填滿嵌件外部凹槽、滾花和/或螺紋以鎖定嵌件并產生所需要的使用強度。此外安裝孔應設計成不致使嵌件觸底回升。推薦的最小孔深是嵌入長度加上0.762 mm，可為前方位移材料提供空隙。這一點對于螺紋孔嵌件尤其重要，因為它能防止材料被穿孔抬高導致嵌件不能發揮作用。孔深也應足以防止螺紋螺絲在最后裝配中觸底回升。這也可通過規定適當的螺絲長度來加以防止。孔可以是錐形的（尤其是在承接錐形嵌件時），這有利于嵌件的精確定位，而且通常會縮短裝配時間。

在插進盲孔中時，應提供沿嵌件的開口或安裝孔。這樣防止嵌件下方壓力增長（可能難以獲得重復的結果及影響嵌件周圍工件表面的外觀）。

建議在嵌件或安裝孔中設計有導入端，允許20%的嵌件在嵌插之前位于孔中。這樣可更容易裝卸工件，而且在焊頭初始接觸嵌件時或在自動化轉位過程中防止嵌件脫離孔。

在嵌件頂上應運用小法蘭以產生更大的焊頭接觸面積，此外還將沿著嵌件側面向上位移的材料推回到嵌件周圍。如果需要密封，需要專門設計引入墊圈或O形環的嵌件以獲得一致的結果。

絕大多數嵌插應用需要安裝標準螺紋孔嵌件。但也可嵌插其它金屬件（如眼鏡鉸鏈、機器螺釘、螺桿、滾銷、金屬座圈、金屬網或篩、裝飾條、電觸點、終端線夾）以及織物和高熔點塑料。

4 超聲波嵌插工藝參數

超聲波嵌插過程中應考慮遵循以下的基本指導方針：

（1）嵌插時間不應超過1.5 s；

（2）低到中的振幅。焊頭/變幅桿組合的全增益應在1.5～2.5之間；

（3）低到中的壓力（0.1～0.28 MPa）。對于大型或多個嵌件，壓力相應增加。壓力應足以防止冷壓嵌件；

（4）預觸發超聲波能量以防止失速狀況；

（5）減慢機架組件的下降速度以允許出現熔化及防止冷壓嵌件；

（6）焊接過程中剛性夾具提供足夠的支撐；

（7）就位后，嵌件頂部應齊平或稍高于工件表面以獲得最大拔出強度和抗扭力（見圖4）。這也會避免出現拔出狀況的可能性。

圖4 防止拔出

5 超聲波嵌插設備要求

為確保超聲波嵌插有效進行，必須遵循以下設備要求：

（1）最低功率要求：

嵌件外徑小于6.35 mm：1 000 W

嵌件外徑小于12.7 mm：2 000 W

嵌件外徑大于12.7 mm：2 000 W（或以上）

多個嵌件：2 000 W或以上

（2）由于焊頭接觸嵌件的應用中伴隨著高磨損，焊頭應由淬硬鋼或硬質合金覆面的鈦組成以最大程度降低對焊頭表面的磨損。

（3）如果可能，焊頭表面應為嵌件直徑的3～4倍以最大程度降低嵌件與焊頭的耦合作用。

（4）在焊頭接觸嵌件的應用中，焊機內應設置換能器保護電路。這可以防止對換能器和關聯線路及連接器的可能損害（來自于由金屬與金屬之間的機械沖擊產生的逆壓電效應引起的電反饋）。

（5）為保持精確的嵌插深度，焊頭的總行程應受到限位擋塊的機械限制或者通過能測量熔降或最終距離（絕對焊接距離模式）的線性光學編碼器進行電子控制。

（6）推薦采用預觸發。對于很小的嵌件，預觸發防止冷壓嵌件。對于大型（12.7 mm以上）嵌件或多個嵌件，預觸發可防止可能造成電源過載的啟動載荷過高。

（7）待夾緊工件在嵌件安裝孔下方應受到固定支撐。這防止工件負載彎曲及確保能量消耗在界面處。

6 超聲波嵌插特點

超聲波嵌插優點包括：循環時間短（一般少于1 s）、同模壓或冷壓相比，嵌件周圍產生的應力最小，消除了夾物模壓過程中嵌件落入模中造成模具損壞和停工的可能性，降低模塑循環時間，可一次推動多個嵌件，適合于自動化、大批量生產、可重復性、一致性及過程可控性好、可加工熱固性塑料、同直接熱過程相比，可獲得更一致的結果。

7 超聲波嵌插常見問題分析與處理

超聲波嵌插過程的常見問題，可能產生的原因和解決辦法見表2。

表2 超聲波嵌插常見問題分析與處理

續表

8 結語

超聲波嵌插是在塑料工件中嵌入或封裝金屬件的裝配方法。該方法可取代在金屬件周圍注射模塑塑料的昂貴、耗時的傳統方法——夾物模壓。

超聲波嵌插質量很大程度上取決于一系列技術、機械和聲學參數，嵌插方式、連接材料的物理化學和物理力學性能、接觸表面的物理狀態、接合表面的幾何形狀、超聲振動的振幅和頻率、超聲波能量強度、靜壓力和接觸壓力、超聲作用時間等。

超聲波嵌插兼具傳統嵌件模塑高性能強度與脫模后安裝的優點。它不限于標準型螺紋嵌件，可嵌插各種各樣的套筒、端子、套圈、軸心、樞軸、護圈、通孔管件、緊固件、鉸鏈門梃、接線柱、手柄定位銷和裝飾性附件。超聲波嵌插速度快、工件殘余應力小、消除了潛在的模具損害、可重復性好、過程可控、降低了模塑成本、提高了生產率。它可同時作用于多個嵌件，適合于自動化、大批量生產，因而在各行各業獲得了大規模應用。

（XS-04）

一種多孔球形丙烯聚合催化劑及制備方法

中國石油天然氣股份有限公司開發出一種多孔球形丙烯聚合催化劑及制備方法。鎂化合物與有機醇化合物反應，產物與羧酸衍生物接觸，原位生成內給電子體；向體系中加入含模板劑的鹵代烷烴溶液，將形成的混合物與鈦化合物混合反應，加入乳化劑和湍流減弱劑，形成穩定的液液兩相體系；將形成的液液兩相體系升溫固化，析出固體顆粒，得到懸浮液；將懸浮液用鹵代烷烴溶液洗滌，除去模板劑，用惰性烴溶劑洗滌，在熱氮氣中干燥，得到催化劑顆粒。該催化劑呈現良好的球型形貌，粒徑大小適中且分布較窄，具備較適宜的比表面積，該催化劑用于丙烯聚合時具有較高的活性，所得聚丙烯產物堆密度較高且細粉少。

TQ320.674

1009-797X（2015）06-0001-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.06.001

張勝玉（1970-），男，高級工程師，畢業于上海交通大學材料科學及工程系焊接專業，工學學士。已發表論文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三屆華中地區科學技術推廣大會榮獲二等獎，《攪動摩擦焊原理及應用》被中國高科技產業化研究會評為一等獎。研究方向：塑料及復合材料焊接，焊接新技術、新工藝。

2014-12-08