連接器產(chǎn)品的超聲波塑料焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

車 敏，張林龍

（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

超聲波焊接是一種快速高效的連接技術(shù)，不需要焊劑和外部加熱。它的突出特點是焊接速度快，焊接強度高，焊縫質(zhì)量好，成本低廉且安全可靠。超聲波塑料焊接是最常用的塑料焊接方法，廣泛應(yīng)用于電子、文具、食品、化妝、家電和玩具等行業(yè)。

1 超聲波塑料焊接

超聲波塑料焊接指的是利用超聲波振動將兩個熱塑性塑料產(chǎn)品熔接在一起的過程。當超聲波作用于塑料焊件時，接觸面之間和分子間的摩擦使結(jié)合處的溫度急劇上升，當溫度高至足以使塑料熔化時，兩個塑料焊件之間將產(chǎn)生材料的熔體流動。當振動停止后，塑料熔體在壓力下固化并再結(jié)晶，而形成均勻的焊接，見圖1。由于熔體流動在焊接邊界上產(chǎn)生黏合并再結(jié)晶，焊接強度接近于原材料的強度。

根據(jù)上文，理想的超聲波焊接的熱量應(yīng)該只發(fā)生在焊接區(qū)域，見圖2，通過合理的能量導向結(jié)構(gòu)（又稱導能筋）來引導超聲波的熱量傳遞，這里的能導向結(jié)構(gòu)指的就是焊線結(jié)構(gòu)。

圖1 超聲波塑料焊接過程示意圖Fig.1 The process of plastic ultrasonic welding

圖2 熱量產(chǎn)生示意圖Fig.2 Heat generation

2 塑料的超聲波焊接特性

只有熱塑性塑料才能超聲波焊接，因為熱塑性塑料受熱熔化再固化后，物理和化學特性前后不變。

熱塑性塑料又分為結(jié)晶性塑料和非結(jié)晶性塑料。結(jié)晶性塑料有明顯的熔點，固體時分子呈規(guī)則排列。規(guī)則排列區(qū)域稱為晶區(qū)，無序排列區(qū)域稱為非晶區(qū)，晶區(qū)所占的百分比稱為結(jié)晶度，通常結(jié)晶度在80%以上的聚合物稱為結(jié)晶性塑料。常見的結(jié)晶性塑料有：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚甲醛POM、聚酰胺PA6、聚酰胺PA66、熱塑性聚酯PBT等。常見的非結(jié)晶性塑料有：ABS、聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、硬質(zhì)PVC等。

從能量消耗角度而言，非結(jié)晶性塑料沒有明確的熔點，塑料熔化所需超聲波能量較少。隨著焊接區(qū)域溫度的上升，材質(zhì)有高彈態(tài)逐漸向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變，并且能在較寬溫度范圍內(nèi)熔化并逐漸凝固。而半結(jié)晶性塑料有確定的熔點且需要較高的熔融熱，與非結(jié)晶性塑料相比，在焊接過程中需要更高的超聲波能量和振動振幅。表1是常用熱塑性塑料的超聲波焊接振幅值，超聲波焊接的振幅由材料自身決定的，振幅越小，超聲波焊接性能越好。

表1 常用熱塑性材料振幅表Tab.1 The amplitude of common thermoplastic materials

尼龍 6（PA6）和尼龍 66（PA66）具有良好的絕緣性能，是連接器產(chǎn)品中最常用的材料。但是尼龍的吸水性對焊接不利，所以加玻璃纖維（GF－Glass Fiber）的尼龍超聲波焊接性能更好。另外，尼龍在受熱過程中會突然水化，即由固態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變成液態(tài)，熔體流動的邊界不可控，焊線結(jié)構(gòu)設(shè)計時要特別注意！

3 焊線結(jié)構(gòu)設(shè)計

影響產(chǎn)品超聲波焊接效果的因素有很多，其中一個重要因素就是焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。焊線結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到后面焊接工藝的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

3.1 基本設(shè)計原則

如圖3所示，一個理想的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括以下五個部分：①能量引導：引導超聲波能量在焊接區(qū)域產(chǎn)生熱量；②焊頭完全接觸：焊頭要覆蓋超聲波焊接區(qū)域；③支撐：焊線結(jié)構(gòu)正下方必須有支撐；④密封性：預(yù)防熔接物溢出焊接區(qū)域；⑤體積和位移的預(yù)留：確保熔體在焊接區(qū)域能自由流動，兩塑料焊件之間的間隙確保焊接不受阻。

當設(shè)計焊線結(jié)構(gòu)時，如果實際產(chǎn)品中由于空間等原因，不能完全包括這五個基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計師要要知道你失去的是哪個結(jié)構(gòu)，在不影響產(chǎn)品功能的前提下，與焊接工藝一起共同確保焊接質(zhì)量。

圖3 焊線基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of welding line

（1）能量導向。一般把焊線結(jié)構(gòu)上的尖角作為能量導向，將超聲波能量直接傳遞到焊接區(qū)域，而使零件本體不受高熱作用，這樣焊接時間短且所需能量少。如果沒有尖角作為能量導向，焊接時間會大大延長，零件的發(fā)熱區(qū)域也無法控制，容易發(fā)生熱損傷。

如圖4所示，能量導向的尖角角度（ɑ） 常 見 的 有 45°、60°、90°和 120°，根據(jù)超聲波焊接的能量傳遞效率和平衡，90°的能量傳遞效率最高，有時也用60°，但 45°和 120°盡量不建議使用。

圖4 能量導向結(jié)構(gòu)Fig.4 Energy guidance

能量導向的高度 （h）由焊件的材料和壁厚決定，一般來說，能量導向的高度至少是壁厚（H）的一半。實際設(shè)計中，也可以根據(jù)不同塑料材料的可焊性做相應(yīng)調(diào)整，可焊性好的塑料焊件所需的能量導向高度可以小一些，反之相反。

考慮到能量導向如果太尖銳的話，可能會比較脆弱，而且模具也比較難實現(xiàn)，所以尖角的端部實際會有倒角結(jié)構(gòu)，但是該倒角半徑（R）不能超過0.1mm。另外，根據(jù)“最弱點”原則，不要在焊接的其余任何位置設(shè)計多余的能量導向，即其它結(jié)構(gòu)處的倒角半徑至少必須大于等于0.2mm。

（2）焊頭完全接觸。焊頭與上焊件的接觸面要覆蓋整個焊接區(qū)域，一般來說焊接面需要比焊接區(qū)域的橫截面大3倍，以確保能量傳遞損耗最小。另外，在焊接過程中，振幅會隨著焊接深度的加深而衰減，考慮到振幅的要求，工藝設(shè)計時，將焊接區(qū)域盡可能地靠近焊頭。

（3）支撐。焊線下方必須有支撐，使得力能夠直接通過焊線來傳遞。不要讓孔洞、階梯或者物件的彎曲使得力在傳遞過程中產(chǎn)生流失，一般由工裝來實現(xiàn)支撐保護。另外，盡可能地讓支撐面靠件焊線結(jié)構(gòu)，且支撐面必須比焊線接縫大兩倍以上。

（4）密封性。密封的焊線結(jié)構(gòu)，如圖5所示，可以使熔體均勻地流入并填充焊接槽中，使得熔體接觸面增大，確保焊接黏合力。如果焊線結(jié)構(gòu)不密封，塑料熔體容易離開焊接區(qū)域，焊接黏合力也會隨著熔體塑料的減少而降低，而且多出來的余料會溢出焊接區(qū)域，導致產(chǎn)品外觀質(zhì)量缺陷。

圖5 焊線的密封結(jié)構(gòu)Fig.5 Sealing structure

非結(jié)晶性塑料 （如ABS）不需要密封來保證焊接黏合力，因為非結(jié)晶物料的熔體焊接力能通過自身熔體的粘性來保證；而對于結(jié)晶性塑料（如尼龍），材料較軟不易吸收超聲波能量，且受熱過程容易突然水化，熔體流動不可控，所以密封性焊線結(jié)構(gòu)則尤為重要。

隨著科技的進步，連接器產(chǎn)品尺寸越來越小，焊接區(qū)域壁厚通常在1.0mm左右，沒有空間設(shè)計完整的密封區(qū)域，這時也可以只封住一個面。可以將內(nèi)側(cè)面密封打開，因為尼龍材料本身是絕緣的，即使余料流到產(chǎn)品內(nèi)部，對連接器的電氣性能也沒有影響。但是外側(cè)一定要密封住，這樣既保證基本的焊接黏合力，又能避免溢料影響外觀質(zhì)量。

3.2 常見的焊線結(jié)構(gòu)

根據(jù)尼龍?zhí)赜械暮附有阅埽谠O(shè)計連接器產(chǎn)品上的焊線結(jié)構(gòu)時，密封或半密封結(jié)構(gòu)是首要考慮因素。優(yōu)先的焊線結(jié)構(gòu)常見的有四種：階梯式、舌槽式、斜截面式和V型槽式。

（1）舌槽式焊線結(jié)構(gòu)。舌槽式焊線結(jié)構(gòu)是完整的密封焊線結(jié)構(gòu)。如圖6所示，焊接余料完全包含在焊接區(qū)域內(nèi)。上焊件的導能筋與下焊件的配合槽單邊間隙建議在0.05mm～0.1mm之間。舌槽式焊線結(jié)構(gòu)需要較厚的壁，適用于壁厚大于1.5mm以上的焊接產(chǎn)品。

圖6 舌槽式Fig.6 Tongue&groove

（2）階梯式焊線結(jié)構(gòu)。階梯式焊線結(jié)構(gòu)如圖7所示，是典型的半密封焊線結(jié)構(gòu)。在外側(cè)增加阻擋，防止焊料溢出表面而影響外觀，但允許部分焊料流入產(chǎn)品內(nèi)部。如圖所示，尺寸h2應(yīng)該大于h1（h2＞h1），不僅可以避免焊接硬阻力，還可以增加產(chǎn)品的外觀美觀。階梯式焊線結(jié)構(gòu)適用于壁厚在1.0mm左右的焊接產(chǎn)品。

圖7 階梯式Fig.7 Step joint

（3）斜截面式焊線結(jié)構(gòu)。 斜截面式焊線結(jié)構(gòu)也是一種半密封焊線結(jié)構(gòu)。如圖8所示，焊接余料包含在焊接區(qū)域以內(nèi)，但允許部分焊料流入產(chǎn)品內(nèi)部。斜截面角度α提供重要的能量導向，角度值建議在 20°＜α＜35°之間，一般取α≈25°。該焊線結(jié)構(gòu)對注塑工藝的精度要求較高，且需要較高的焊接能量。

圖8 斜截面式Fig.8 Mash joint

斜截面式焊線結(jié)構(gòu)不需要太厚的壁，適用于壁厚小于1.0mm的焊接產(chǎn)品。

（4）V型槽式焊線結(jié)構(gòu)。V型槽式焊線結(jié)構(gòu)是介于完全密封和半密封焊線結(jié)構(gòu)之間。如圖9所示，V型槽的角度一般選120°，適用于較小的焊接產(chǎn)品。該焊線結(jié)構(gòu)對注塑工藝的精度要求較高，且也需要較高的焊接能量。

圖9 V型槽式Fig.9 V-joint

4 生產(chǎn)案例

生產(chǎn)反映產(chǎn)線有個連接器產(chǎn)品在超聲波焊接過程中經(jīng)常發(fā)生溢料，工藝需要臨時調(diào)整焊接參數(shù)才能解決，嚴重影響生產(chǎn)效率，而且焊接的一致性也不好。工藝通過多輪焊接參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，并不能完全解決溢料問題，轉(zhuǎn)而從結(jié)構(gòu)設(shè)計上分析原因。

通過信息收集，發(fā)現(xiàn)該連接器殼體的材料是尼龍加玻纖材料，而焊接區(qū)域是完全敞開式的焊線結(jié)構(gòu)，沒有任何遮擋。根據(jù)上述介紹的尼龍材料超聲波焊接特有的水化特點，焊接瞬間焊料的流動邊界不可控，而焊線結(jié)構(gòu)外側(cè)不封閉，所以才經(jīng)常發(fā)生溢料問題。

根據(jù)上述焊接結(jié)構(gòu)介紹，尼龍材料的焊線結(jié)構(gòu)必須封閉或半封閉。為了保持現(xiàn)有的焊線高度和壁厚，將當前敞開式焊線結(jié)構(gòu)調(diào)整為階梯式半密封焊線結(jié)構(gòu)，如圖10所示。定制樣品并做對比測試，焊接參數(shù)設(shè)置如表2所示，采用絕對深度焊接模式，分別測試了0.1mm、0.2mm和0.3mm三個焊接深度的溢料情況。對比測試結(jié)果見表3。

表2 超聲波焊接參數(shù)Tab.2 Characters of ultrasonic welding machine

表3 超聲波焊接參數(shù)Tab.3 Characters of ultrasonic welding machine

5 結(jié)論

對于以尼龍材料為主的連接器產(chǎn)品，在設(shè)計超聲波焊線結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮焊線結(jié)構(gòu)的密封或半密封性。建議采用階梯式半密封焊線結(jié)構(gòu)，不僅零件壁厚較薄，模具注塑工藝簡單，而且能從根本上解決溢料問題，降低生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定性，大大提高了生產(chǎn)效率。

[1]海爾曼.超聲波焊接基礎(chǔ)知識[R].超聲波塑料焊接基礎(chǔ)培訓，2016.

[2]T.Herrmann.塑料件超聲波焊接工藝及焊接設(shè)計 [J].王立偉譯自《Kunststoffe》1987，7.

[3]張勝玉.塑料超聲波焊接技術(shù)（上）[J].塑料包裝，2014，6.

[4]趙志鵬.玻纖增強尼龍超聲波焊接焊線結(jié)構(gòu)[J].科技信息，2009，6.

[5]梁延德.超聲波塑料焊接件連接形式的研究[J].新技術(shù)新工藝，2003，11.

[6]高陽.塑料超聲波焊接質(zhì)量影響因素的研究進展[J].宇航材料工藝，2006，6.