超聲波焊接在防水產(chǎn)品中的應(yīng)用及設(shè)計優(yōu)化

趙博

摘? 要：簡述了超聲波焊接的原理及影響焊接質(zhì)量的因素。以一款氣密性醫(yī)療器械產(chǎn)品為例，說明了焊接面導(dǎo)能筋形式對產(chǎn)品的影響及設(shè)計優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：超聲波塑料焊接;焊接質(zhì)量;導(dǎo)能筋

中圖分類號：TG457? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0099-03

Abstract： The principle and the influence factors of ultrasonic plastic welding quality are briefly described. Taking a waterproof product as an example， the influence of energy director on the product and the design optimization are illustrated.

Keywords： ultrasonic plastic welding; welding quality; energydirector

1 超聲波焊接原理及影響因素

超聲波焊接技術(shù)從二十世紀(jì)問世到現(xiàn)在，因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)而在汽車、電子、電器、醫(yī)療器械制造等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

超聲波塑料焊接指的是利用超聲波振動將熱塑性塑料產(chǎn)品熔接在一起的過程。高頻振動的兩個塑料件接觸時，焊接面分子間的摩擦使結(jié)合處溫度急劇上升，使塑料熔化。當(dāng)振動停止后，塑料熔體再結(jié)晶形成均勻的焊接。[1]

影響焊接質(zhì)量的因素有很多，如焊接材料、焊接工藝、導(dǎo)能筋形式等。（圖1）

要想獲得良好的焊接質(zhì)量，應(yīng)首先明確：（1）被焊接物的材質(zhì)，（2）被焊接物的尺寸，（3）被焊接物的用途（載荷、密封、外觀美觀等要求）。

本文通過超聲波塑料焊接在一款有氣密性要求的家電產(chǎn)品中的應(yīng)用，重點(diǎn)說明特定焊接面連接形式的設(shè)計對焊接質(zhì)量的影響及優(yōu)化。

2 焊接面連接形式

焊接面連接形式按形狀主要分為無導(dǎo)能線的平面型、帶導(dǎo)能線型以及剪切型。

2.1 平面型

無導(dǎo)能線的平面型因?yàn)樾枰L的超聲、保壓時間及壓力，在實(shí)際的產(chǎn)品中應(yīng)用較少。實(shí)際應(yīng)用中更多的采用帶導(dǎo)能線型及剪切型。

2.2 帶導(dǎo)能線型

導(dǎo)能線根據(jù)先端的角度，主要有120°、90°、60°、45°等（圖2），盡量使導(dǎo)能線的先端銳利。在同等條件下，90°的導(dǎo)能線能獲得更大的結(jié)合強(qiáng)度。[2]

（1）基本型

基本型的設(shè)計推薦形狀參見圖2。適用于對外觀要求不高的產(chǎn)品。導(dǎo)能線設(shè)置在上、下零件對焊接強(qiáng)度并沒有特別明顯的影響，但當(dāng)兩個強(qiáng)度不同塑料件焊接，焊接筋一般設(shè)置在熔點(diǎn)高和強(qiáng)度低的一面。[3]具體的尺寸設(shè)計根據(jù)設(shè)備及產(chǎn)品實(shí)際情況會有差異，可以參考超聲波焊接機(jī)廠家提供的信息。

（2）階梯型

階梯型的設(shè)計推薦形狀參見圖3。因?yàn)橛胸Q直面導(dǎo)向及格擋，該設(shè)計在對產(chǎn)品外觀有要求或需要有過熔的情況下比較常見。

（3）凹槽型

凹槽型的設(shè)計推薦形狀參見圖4。同（2）階梯型，因?yàn)閮?nèi)外都有格擋，因此這種形狀適用于對外觀要求較高以及對焊接碎屑掉落到產(chǎn)品內(nèi)部有要求的產(chǎn)品。同時，該形狀可提供較強(qiáng)的密封，對密封有一般要求的產(chǎn)品可以考慮使用。但因?yàn)槌叽缦拗疲附用婕皩?dǎo)能線的寬度比較窄，會影響焊接強(qiáng)度，另外對產(chǎn)品模具精度要求較高。

（4）斜截面型

斜截面設(shè)計推薦形狀參見圖5。對于薄壁產(chǎn)品（壁厚小于1.5mm），導(dǎo)能線寬度太小，會導(dǎo)致焊接強(qiáng)度降低，此種情況可以考慮采用斜截面型結(jié)構(gòu)，先端角度建議45°。為了盡量增加焊接強(qiáng)度，焊接的接合面應(yīng)當(dāng)追加有紋理的表面。

2.3 剪切型

在某些情況下，采用高彈性模量的結(jié)晶類塑料時（比如PP、PA等），材料較不易吸收超聲波能量，熔化狀態(tài)不易控制，普通的導(dǎo)能線設(shè)計可能無法產(chǎn)生預(yù)期效果。在產(chǎn)品幾何形狀允許的情況下，建議采用剪切型設(shè)計。

采用剪切型設(shè)計，產(chǎn)品先端首先熔化，然后隨著焊頭下降，通過過盈干涉的垂直壁的繼續(xù)熔化完成焊接過程。因?yàn)檎麄€過程熔化區(qū)域接觸不到空氣，因此可以獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度及密封效果。但這種結(jié)構(gòu)需要焊頭施加更大的超聲壓力，如果產(chǎn)品比較精密或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時需要加以注意。

3 防水產(chǎn)品應(yīng)用及設(shè)計優(yōu)化

3.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

圖7為一筆式電子體溫計結(jié)構(gòu)示意圖，該產(chǎn)品對超聲波焊接相關(guān)設(shè)計要求及參數(shù)參見表1、2。

通過超聲波焊接將上帽1和下殼2密封，使內(nèi)部形成一個裝載電子測溫、顯示功能模塊的密封空腔。需注意的是靠近超聲波焊接接合面5的下方，是通過插入成型嵌入的透明PMMA視窗板，通過視窗板用戶可以看到內(nèi)部空間里對應(yīng)位置的液晶顯示區(qū)域，用以讀取體溫值。

圖7的設(shè)計方案，生產(chǎn)線反映有大量的產(chǎn)品出現(xiàn)焊接后不密閉的情況，體溫計視窗上可以看到長度0.4～1.7mm不等的碎屑附著在產(chǎn)品內(nèi)部無法去除（圖8a、b）。這些都導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)后只能廢棄，造成大量浪費(fèi)。

分析其原因，主要為導(dǎo)能線結(jié)構(gòu)不合理，尖端角度為70°不夠尖銳，影響熔化效率。下殼接合面不是平面而是斜面，在焊頭壓上帽向下移動過程中，使上帽先端向斜下方摩擦式滑動，難以讓塑料高效熔化結(jié)合，這一點(diǎn)從液晶上觀察到的碎屑情況可以得到證實(shí)。另外焊接面并沒有出現(xiàn)黑色過熔痕跡（圖8c），說明理論上焊接面處還可以加大焊接功率。為了增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，曾通過調(diào)整超聲、保壓時間以及超聲壓力等參數(shù)以增加焊接功率，效果均不理想。因?yàn)樵黾颖簳r間或壓力，甚至導(dǎo)致下殼的PMMA視窗板和下殼結(jié)合處裂縫，產(chǎn)生次生不良問題。

3.2 設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)以上分析，對產(chǎn)品形狀進(jìn)行了針對性變更（圖9）。改變上帽導(dǎo)能線形狀，因?yàn)楫a(chǎn)品尺寸限制，壁厚只有2mm，難以采用凹槽型導(dǎo)能線，因此根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整尖角角度70°→50°，同時取消下殼的斜面，變更為平面。

4 結(jié)束語

經(jīng)過一系列設(shè)計改善變更，基本杜絕了碎屑產(chǎn)生，大幅降低了因泄露帶來的不良率，但泄露現(xiàn)象仍難以根除。主要原因?yàn)樯厦备叨?5mm，焊頭和上帽上端面距離導(dǎo)能線為25mm，屬于遠(yuǎn)端焊接，加上上帽壁厚不足（只有0.8mm），嚴(yán)重影響超聲波振動能量傳遞到接合面，如果增加壓力或時間，又會因?yàn)榫嚯x接合面比較近的視窗結(jié)合部松動從而導(dǎo)致泄露。無論是遠(yuǎn)端焊接還是視窗部的位置調(diào)整，都勢必要更改產(chǎn)品外觀，這在醫(yī)療器械產(chǎn)品的設(shè)計中難度很大。在日后的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮超聲波焊接的特點(diǎn)，盡量避免遠(yuǎn)端焊接。

參考文獻(xiàn)：

[1]車敏.連接器產(chǎn)品的超聲波塑料焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2018，31（1）：58.

[2]劉川.超聲波塑料焊接機(jī)理和工藝試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2003：56.

[3]王家龍.超聲波塑料焊接[J].包裝世界，2019（04）：124.