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超聲波焊接結構設計指南

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超聲波焊接結構設計

超聲波焊接結構設計,常見的有4大類:對接接頭(Butt Joint),臺階接頭(Step Joint),溝槽接頭(Tongue-and-Groove Joint),以及剪切接頭(Shear Joint)。選擇哪一種設計取決于許多因素,包括材料、零件的尺寸和剛性,以及焊接性能要求,例如焊接強度,外觀和密封性等。

對接接頭(Butt Joint)

具有導能筋(Energy Director)的對接接頭是常見的焊縫設計,注塑件的設計和制造相對簡單。導能筋的設計一般是一個三角形,有時也會采用半圓形(Dukane專利)。

導能筋頂部的尖點,有助于集中超聲波能量,以快速加熱熔化和粘接塑料。如果沒有導能筋,超聲波能量便無法沿著接合線均勻分布,這意味著需要更多的時間和能量,才有可能熔化塑料。同時,多余能量和時間會導致產品無法接受的外觀問題,例如飛邊和燙傷等。

三角導能筋尖角一般為90°或者60°,前者適合無定形樹脂,后者適合半結晶材料。有時候因為結構限制,三角筋尖角也可以做成60°到90°之間。對于一般尺寸零件(例如特征長度從20mm到80mm),導能筋底邊寬0.4-1.0mm,高度0.35-1mm。

總結:適用于各種大小產品,設計自由度高,能提供一定的焊接強度(低于臺階接頭、溝槽接頭和剪切接頭),但無法保證密封性,且無法提供自定位。用于普通焊接要求的產品。

導能筋可以設計在上下零件的任何一個上。但是一般建議,是將導能筋設計在與焊頭接觸的上零件上。在一些特殊應用中,例如不同種塑料焊接,三角筋應設計在具有更高熔點和剛度的零件上。一般來說,無定形材料采用90°尖角,半結晶材料采用60°尖角。

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Branson推薦的皮紋面,可以提高焊接強度,并且增加流動阻力以控制溢料,減少飛邊。注意,該設計無法保證密封效果。紋理深度在0.076-0.152mm之間。

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三角筋底邊寬0.5-1.0mm,高度0.4-1.0mm。取決于產品尺寸大小。一般經驗,當尺寸<40mm,三角筋高度可選擇0.4-0.6mm;尺寸在40mm-76mm之間,三角筋高度可選擇0.6-0.8mm;尺寸>76mm,三角筋高度可選擇0.8-1.0mm。當然,不同行業及具體產品,可能略有差別。

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圓形導能筋是Dukane專利,經過驗證,焊接強度更大,可實現密封。同時,從注塑角度,有益于注塑成型,尺寸穩定。必須注意,圓形導能筋在伺服超聲波設備上驗證成功,但可能不適用于氣動超聲波設備。圓形導能筋底邊寬0.4-0.76mm。

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尖角60°到90°,三角導能筋的高度0.3-1mm。


下述建議尺寸是最小值。


下左圖是一個具有90°三角導能筋的對接接頭設計。其中W/5和W/10是建議設計的最小尺寸。當焊接寬度較大時,需要設計多條導能筋。適用于無定形材料,如ABS,SAN和PS等。Sonics推薦的導能筋高度為0.2-0.6mm。

下右圖是一個具有60°三角導能筋的對接接頭設計。其中建議尺寸也是最小設計尺寸。適用于半結晶材料焊接,如尼龍,PP和PE等。Sonics推薦的導能筋最小高度為0.4-0.5mm之間。

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臺階接頭(Step Joint)

該設計比對接接頭牢固的多,因為材料流入一側的間隙形成連接,所以增大了焊縫的抗剪切和抗拉強度,相比較對接接頭更容易實現密封。

臺階接頭保證了上下零件自定位,同時也避免了產品外側的溢料飛邊。從注塑難易的角度,臺階接頭對零件配合公差要求寬松。采用溝槽接頭時,配合公差要求更緊,也容易側壁干涉導致焊接不良。

具有導能筋的焊縫接頭(包括對接和臺階接頭兩種),適用于具有較好剛度,同時熔化溫度不高的無定形塑料的連接。當使用一些柔軟且可壓縮的材料,如PP和PE,則不建議采用導能筋的接頭設計。對于這類柔軟的材料,我們會采用侵略性更強的剪切縫設計,或者采用伺服焊接設備提供額外的焊接壓力和時間。

臺階接頭要求的零件壁厚一般大于1.5mm。

總結:適用于各種大小產品,能提供較好的焊接強度(高于對接接頭,低于溝槽接頭和剪切接頭),可以實現一般密封性(無法承受較大壓強),能夠提供上下零件自定位,一側可擋溢料飛邊。用于一般防水要求的產品。

最小壁厚大于2mm。

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當壁厚≤1.5mm時,推薦的焊縫接頭設計如下。刀口的高度在0.38-0.51mm。該設計還可以減少外側飛邊。

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產品壁厚≥1.5mm,B尺寸0.5-1.0mm,A尺寸0.4-1.0mm,D尺寸1.5mm,T尺寸≥1.0mm,臺階一側單邊間隙0.1-0.15mm。

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內側擋料設計

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外側擋料設計

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內外側均有擋料設計。

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針對PP材料,且零件尺寸較大(大于60mm)時的接頭設計。

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當壁厚≤2mm時,可采用如下設計。

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焊接后留有的最小間隙。

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臺階縫的多種形式

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臺階接頭設計的多種形式。

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溝槽接頭(Tongue-and-Groove Joint)

該接頭能夠提供最大的焊接強度。兩側很小的間隙會產生毛細作用,使熔化的塑料滲入整個焊接區域。

和臺階接頭一樣,溝槽接頭設計有助于零件的自定位,并且在產品內外側都能阻止溢料和飛邊。它還可以保護焊縫免受周圍冷空氣流動的影響。

溝槽接頭最適合用于有氣密性要求的產品。但是,如果零件壁厚不能滿足接頭設計要求(壁厚大于2.3mm),那么建議采用剪切接頭。剪切接頭可用于薄壁件的焊接,但是焊接零件時需要更大的振幅。

總結:適用于各種大小產品,能提供最佳的焊接強度(高于對接接頭和臺階接頭,與剪切接頭設計相當),容易實現密封性,能夠承受較大壓強,可提供上下零件自定位,內外側可擋溢料飛邊。對產品注塑精度要求高,兩側間隙大則導致焊接效果減弱,兩側間隙小干涉會導致焊接失?。ㄖ饕感孤叮?。用于具有嚴格性能要求的產品。

最小壁厚3.18mm。

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最小壁厚2.3mm,建議同上述Dukane臺階接頭。

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要求壁厚大于2.3mm。


當壁厚小于1.5mm時,溝槽焊縫可采用下面的V形結構。

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剪切接頭(Shear Joint)

剪切接頭十分適合半結晶塑料的焊接。當焊接深度足夠時,該焊縫具有優異的氣密性和焊接強度。如果你要焊接PA材料的薄壁容器,則需要采用剪切接頭設計。

剪切接頭在焊接過程中,可防止焊接區域暴露于空氣中,這可能會使其過快冷卻,從而導致脆性。焊接強度取決于焊接深度。一般經驗認為,當焊接深度達到0.8-1.5mm,焊縫處的焊接強度與周圍壁本體相當。

對于剪切接頭,一個巨大挑戰是如何保證一周一致的剪切量。例如提高注塑件尺寸精度防止變形,提高上下零件的裝配精度,保證零件側壁有剛性治具支撐等。當零件尺寸較大,且有較大變形時,采用剪切接頭幾乎無法滿足焊接密封性要求。

總結:適用于小尺寸產品,能提供最佳的焊接強度(高于對接接頭和臺階接頭,與溝槽接頭設計相當),容易實現密封性,能夠承受較大壓強,可提供上下零件自定位。對產品注塑精度要求高,焊線區域變形會導致剪切量不均勻,以及焊接失敗。用于具有嚴格性能要求的小尺寸產品。

焊接深度一般建議是壁厚的0.75倍。零件壁厚最小2mm。建議零件尺寸最大不超過76mm。

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單邊剪切量建議值,以及零件尺寸公差建議。

當零件尺寸大于76mm時,可采用如下設計。

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壁厚W尺寸大于1.5mm,單邊剪切量A尺寸0.25-0.5mm,焊接深度B尺寸0.75-1.0mm。其余建議見表格推薦。

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單邊剪切的其它形式。


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雙邊剪切的兩種形式。



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焊接后留有的最小間隙為0.1mm。

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剪切接頭的多種形式,第一第二種單邊藏溢料,第三種內外均可以藏溢料。

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當產品尺寸較大,且上零件壁深且柔軟時,可采用下面的焊縫接頭設計。

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  • Dupont

對于Dupont材料,當玻纖含量30%時,保守計算,焊縫強度約為基體樹脂強度的1/3。

水分含量過高會導致很弱或無效的焊縫。例如,尼龍零件在相對濕度50%的情況下,在23°C(73°F)的溫暖空氣中暴露24小時,會嚴重影響焊接效果。最好是將零件在干燥(PA66為0.2%水分)條件下焊接。

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其它因素

采用超聲波焊接工藝時,除了選擇適合的接頭設計外,工程師們還需要考慮另外一些重要因素。

第一個考慮因素是壁厚。當薄壁小于1mm時,薄壁像彈簧一樣,無法有效地將振動傳遞到接頭區域。容易產生橫向振動,從而損耗焊接能量。

第二個考慮因素是裝配件的整體大小。采用單個焊頭焊接產品時,一般要求零件尺寸小于250mm。當然,這也取決于材料,如250x250mm的尼龍盒子肯定無法焊接,但是250x250mm的PS材料盒子可能可以焊接。

第三個考慮因素,因為焊頭需要與零件緊密接觸,所以工程師應避免在接頭上方設計缺口或者孔洞,阻礙振動傳遞。

第四個考慮因素,焊頭距離接頭的距離應小于6.4mm,也叫做近場焊接。當距離大于6.4mm時,稱為遠場焊接。遠場焊接不容易焊接,需要更高的振幅和更長的焊接時間,負面影響會增加。

另外,接頭附近接頭應避免尖角設計,防止引起裂紋。


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