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超聲波焊接縫設計

 二維碼 71

超聲波焊縫設計指南

超聲波焊接工藝非常關鍵的一個因素是焊縫的接頭設計,也就是兩個零件接合面的結構設計。在零件設計階段,就應該充分考慮,避免后續損失。已知的成熟應用的接頭設計有多種形式,每一個都有其特點和優點。選擇哪一種設計,是由塑料類型、零件幾何形狀、焊接要求、加工和注塑成型能力等因素決定的。

1. 三角導能筋設計

一個平面上帶一個三角導能筋的設計是最常見的焊縫接頭設計,也是最容易注塑成型的設計。平面上的導能筋尖角為90°或者60°。為什么叫做導能筋?是因為三角頂部尖點能將兩個零件的初始接觸區域限制在一個非常小的區域,并將超聲波能量集中在三角形的頂點。在焊接過程中,集中引導的超聲波能量會導致接頭熔化,塑料會在整個焊接區域流動,并將零件粘接在一起。

對于易于焊接的塑料,例如無定形聚合物ABS,SAN,PMMA和PS,三角筋的大小取決于要連接的區域。此類材料一般推薦,三角筋的高度在0.2-1.0mm范圍內,三角形頂角為90°。

半結晶聚合物例如尼龍PA、POM、PE、PP和PPS,以及高熔點的無定形聚合物例如PC和PSU,這兩類材料更難焊接。一般推薦三角筋的高度在0.4-1.2mm范圍內,三角形頂角為60°。

比較好的設計,90°三角筋高度應大于連接寬度的10%,三角筋寬度應大于連接寬度的20%,如圖1所示。對于厚壁連接,可使用兩個或多個三角筋,其高度之和應等于連接寬度的10%。

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為了實現焊接PC零件的密封,建議三角筋夾角60°,寬度應大于壁厚的25%到30%。圖2是一個帶有60°夾角的三角筋設計。圖3是連接寬度尺寸設計應考慮到熔化塑料在整個連接區域流動。

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當連接的兩個零件材料相同時,三角筋可以設計在任何一個零件上。當連接的兩個零件材料不同時,例如一個零件是共聚物或三元聚合物ABS,另一個件是均聚物PMMA,三角筋應設計在均聚物PMMA零件上。

2. 臺階焊縫設計

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臺階焊縫設計如上圖4所示。這類接頭也容易注塑成型,其好處是上下零件可自定位,焊接強度良好,且外觀無溢料。由于其熔化的塑料流入單側垂直間隙內形成連接,所以其強度大于平面三角筋的焊縫設計。臺階焊縫設計在拉伸和剪切方向都能提供良好的強度,其一側擋邊設計也經常使用在有外觀要求的零件上。對于半結晶材料和高熔點無定形材料,其三角筋夾角60°;對于常規無定形材料,其三角筋夾角90°。

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3. 溝槽焊縫設計

溝槽焊縫設計如下圖6所示,其好處上下零件可自定位,內外兩側都能防止溢料,是目前討論的三種焊縫設計中,焊接強度最大的。

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4. 剪切焊縫設計

上圖7的剪切焊縫設計,通常使用在具有高強度和高密封性要求的產品中,特別適用在半結晶材料,以及產品外形是矩形或有直角過渡的情況下。

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初始接觸面可以通過設計斜面(倒角或者上挑尖角)被限制在很小的區域內。接觸表面首先熔化,隨著兩個零件的結合,它們沿著垂直壁繼續熔化。這一個“涂抹”的動作,消除了連接區域的泄露和空隙,使其成為強力密封的最佳接頭設計。

剪切焊縫設計還應考慮幾個重要方面:(1)上方零件凸臺應盡可能淺,避免剛度不足;(2)焊接區域外側壁,應方便使用治具強力支撐;(3)上下零件之間其它位置應間隙配合,避免干涉;(4)上下零件要有定位導向,如圖7中A結構。

對于剪切量的設計:

  • 零件尺寸小于19mm,剪切量B為0.2-0.3mm;

  • 零件尺寸在19-38mm之間,剪切量B為0.3-0.4mm;

  • 零件尺寸大于38mm,剪切量為0.4-0.5mm。

  • 零件尺寸大于76mm,因零件尺寸誤差和變形,不建議采用剪切焊縫設計。

由于熔化的塑料體積較大,剪切焊縫設計的焊接時間是其它設計的3-4倍。焊接后零件表面容易有壓傷或者燙傷等問題。這個可以通過焊頭和參數優化進行改善。

圖9是剪切焊縫設計的其它形式。

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5.斜搭焊縫設計

斜接焊縫設計如下圖10所示,一般建議用于圓形或橢圓形的零件焊接上,能夠實現高強度密封,特別適用于半結晶樹脂材料。

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斜搭焊縫要求兩個零件各自的角度在30度到60度之間,且兩者差異在1.5度以內。如果壁厚≤0.63mm,應使用60°角;如果壁厚≥1.52mm,應使用30°角;壁厚在0.63mm到1.52mm之間,角度在30°到60°之間。

斜搭焊縫靠外側的零件最小壁厚應≥0.76mm,防止焊接過程中側壁脹裂或者熔穿。

該搭接焊縫設計不常用,是因為其對零件的同心度和尺寸公差要求高。然而,當有限的壁厚不允許使用剪切焊縫時,強烈推薦使用這種接頭設計。

下圖11是搭接設計的其它形式。


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