塑胶产品的结构和超声波导熔线设计

超声波焊接塑胶产品结构和超声波导熔线设计

1.前言:

　 ‍超声波焊接塑胶产品结构和超声波熔接线设计的多方面相关内容,超音波塑胶熔接产品结构与超音波焊接线。

①其常常关系到防水防尘、强度等的可靠性设计要求（DFR），设计时是需要参考标准特征的选用的。所以作者本来希望把其归类为高阶篇：5）对症设计与标准结构特征选用下，希望读者能按照标准特征选用的流程来设计超声波焊接结构。

②但其又可归类为塑胶件可制造的要求（DFM），一些难以制造的问题常常困扰超声波焊接结构，如导熔线过小过长难以制造导致焊接不好。

③其又必须符合装配的DFA的要求，且其质量与超声波焊仪的设备息息相关。

综合考虑后，作者还是把它归类到DFM塑胶件设计下。

但设计的时候，希望工程师需要考虑到超声波焊接结构标准、DFM检查，DFA检查三方面。

2. 超声波焊接简介

　　超声波焊接是利用超声波振动频率，接触摩擦产生热能而使两个塑胶件在焊接界面熔融而固定在一起。超声波焊接是一种快捷、干净、有效的装配工艺，用于满足塑胶件高强度的装配要求，是广泛使用的一种先进装配技术，适用于多种类型塑胶件的装配。正常情况下，超声波焊件具有较高的抗拉强度，可以取代溶剂粘胶及机械紧固等装配方法，同时还可以具有防水、防潮的密封效果。

3. 超声波焊接的原理

　　超声波焊接的工作原理是通过超声波发生器将50 Hz或60 Hz电流转换成 15、20、30或40 kHz的电能，被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头，如图3-99所示。

焊头将接收到的振动能量传递到待焊接塑胶件的界面，在该区域，振动能量通过摩擦方式被转换为热能，将塑料熔化，振动停止后维持在塑胶件上的短暂压力使两塑胶件以分子连接方式凝固为一体，如图3-100所示。

超声波焊接时，两个塑胶件从接触到熔化，再到焊接成一体的实物剖视图如 图3-101所示。

4.超声波焊接的优点

　　超声波焊接是一种快捷、十净、可靠性高的装配工艺，具有以下优点：
1)焊接速度快，效率高。绝大部分超声波焊接可以在0.1〜〇.5 s之内完成；

2)成本低。由于效率高，人工成本低，同时省去了大量夹具、粘合剂或者机械紧固件等的使用，因此超声波焊接是一种非常经济的塑胶件装配方式；

3)强度高。超声波焊接几乎可以达到塑胶件本体强度的80%以上；

4)合理的塑胶件设计可以使得超声波焊接达到防水效果；

5)表面质量好，焊点美观，可以实现无缝焊接；

6)工序简洁，操作简单，可以实现自动化焊接；

7)品质稳定，产品质量稳定可靠，适宜大批量生产；

8)超声波焊接过程清洁、稳定、可靠，而且能量消耗低。

5.超声波焊接的局限性

　　尽管超声波焊接有众多的优点，但超声波焊接也有一定的局限性，在选择超声波焊接工艺之前和进行超声波焊接塑胶件零件设计时，产品设计工程师必须清楚了 解超声波焊接的局限性，并通过合理的零件设计来避免超声波焊接缺陷的产生、提高焊接的质量。
1)材料的限制性。

　　超声波焊接并不能够焊接所有的塑料，这是超声波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超声波焊接一般仅适合于于—种或者相似塑料之间的焊接。如果两个塑胶件材料不同，多数时候超声波焊接无能为力。因此，一定选定超声波焊接工艺，就不能轻易更改零件材料。有工程师曾经向笔者反映，为何对ABS材料的两个塑胶件进行超声波焊接时，焊接质量非常好，但由于其他设计要求，把一个塑胶件的ABS材料换成PBT，就很难焊接上？就是这个原因。

2)不可拆卸性。

　　超声波焊接是不可拆卸性连接，无法进行返工。一旦两个零件过超声波焊接装配成一体，之后如果发现产品存在质量问题，那么也无法进行返工。

3)零件大小和形状的限制。

中小型的塑胶件适合超声波焊接，尺寸一般小于250mmx300 mm，较大的零件可能耑要多个焊接工序。而且超声波焊接一般适用于形状比较单一的塑胶件，对于形状复杂的塑胶件，焊接质量可能较低。

4)可能会造成塑胶结构损坏

　　超声波的能量很大，在焊接过程中有可能造成塑胶件本身因为强度不够而发生损坏，同时也可能造成产品内部其他零部件的损坏。因此，在进行产品设计时，尽可能增加塑胶件的强度和产品内部其他零部件的强度，或者将零部件远离焊接区域，尽量把强度不高的其他零部件安排在超声波焊接工序之后再进行装配。有些电控板上的电子元器件特别需要注意。

5)对调试人员的技术要求

　　目前超声波焊接质量对超超声波焊接机的调机技术，以及对操作者的细心程度都有很大的依赖性。很多产品在前几次超声波焊接时会出现焊接不够牢固或者焊接表面过度熔化等质量问题，工程师会误以为超声波焊接的质量就只能达到这一步，但其实绝大多数的质量问题可以通过焊接参数调整而得到解决，不过这需要依赖调机技术以及操作者的细心。最有效的方法是请超声波设备供应商专业人员提供帮助。

6)超声波对于人的听力有伤害，应准备好劳保用品。特别是焊接时那一下高音，有些人会特别难受。

6.超声波焊接的应用

超声波焊接的应用非常广泛：
(1)汽车行业

　　汽车行业要求超声波焊接的零部件具有防水性和较高的表面光洁度，例如车头灯；另外，发动机箱内的零部件要求满足较高的力学性能要求。典型应用实例包括车头灯、前后门、刹车灯、灯座、插座、信号器件、按钮、导风管、仪表板和保险杆等。
(2)电子电器行业

　　电子电器行业要求超声波焊接能够提供较高的机械强度，在有些场合，要求一定的外观表面要求。典型应用包括墙壁插座、开关、电源、灯架、吊灯、温度控制器、洗衣机出水栓、蒸汽熨斗、电池壳、充电器、手机外壳、手机配件、吸尘器、电话等。

(3)玩具行业
典型应用案例包括摇铃、婴儿洗澡温度计、音乐玩具、球类玩具等。
(4)日用品业

粉盒、化妆镜、保温杯、密封式容器、调味瓶、水管接头、食品容器、打火机等。

(5)办公产品

　要求超声波焊接具有较高的外观质量要求。典型应用案例包括圆珠笔、胶带切割器、文件夹、铅笔盒、订书机、卡式墨水管、书架、文件夹、塑料笔桶等。
图3-102所示是超声波焊接的一些应用实例。

7.超声波焊接步骤

超声波焊接详细步骤如图3-103所示：

8.影响塑胶件超声波焊接性能的要素。

8.1）塑料特性:

塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。

热固性塑料可塑但不可逆。第一次加热时可熔化流动，加热到一定温度，产生化学反应，交联固化变硬而形成固体；但这种变化时不可逆的，当重新受热加压时，热固性塑料不能再次熔化。因此，超声波焊接不能焊接热固性塑料。热塑性塑料可塑又可逆，当第一加热形成固体后，其内部结构仅经历形态的变化，是可逆的；重新加热和加压时，能够重新熔化并再次形成固体。超声波焊接能够焊接大部分的热塑性塑料。

热塑性塑料又分为无定形塑料和半结晶塑料。

由于二者的分子结构和排布不同，二者的超声波焊接性能又有所差别。

无定形塑料的分子结构呈随机分布，没有一个明确的熔点Tm，其在一个很广泛的温度范围内逐步软化、熔化和流动；而不是一旦加热到某个温度就立即从固体熔化，然后又立即固化。无定形塑料的这种特性非常易于传导超声波振动能力，能够在较大的压力和振幅范围内进行超声波焊接。

半结晶塑料的分子结构在局部呈规律性分布，有一个明确的熔点Tm。在温度达到熔点之前，半结晶塑料始终保持着固态；当温度达到熔点后，整个分子链立刻幵始运动，并立即固化。无定形塑料和半结晶塑料的熔化过程区別如图3-106所示。

半结晶塑料呈规律性分布的分子结构类似于弹簧，非常容易吸收髙频的超声波振动能量，使得能量很难从焊头传递到焊接界面，必须有足够大的超声波能量才能使半结晶塑料熔化。因此，相对于无定形塑料，半结晶塑料比较难焊接。为了使半结晶塑料获得较高的焊接质量，往往需要考虑更多的因素，例如较髙的振幅、合适的焊接界面设计、焊头的接触、焊接的距离以及焊接夹具等。

8.2）其他要素：

在超声波焊接时，还需要考虑其他一些因素，这些因素包括注射过程的影响、吸水性、脱模剂、润滑剂、塑化剂、添加剂、阻燃剂、回料、色料及塑料等级等。

(1)塑料的吸水性：

塑料的吸水性是超声波焊接性能的重要影响因素。如果塑料含有过多的水分，在超声波焊接过程中，当温度达到水的沸点时，塑料中的水分蒸发和气化，焊接界面呈泡沫状，使得超声波焊接强度低，同时很难获得密封性能以及高质量的外观；另外，过多的水分还会造成焊接时间的延长，焊接成本增加，如图3-108所示。

具有吸水性的塑胶件应该在注射完成后马上进行超声波焊接。如果不能马上进行焊接，应该以装有干燥剂的PE袋进行密封包装；没有密封包装的吸水塑胶件，在焊接之前应该进行烘干。

(2)脱模剂：

脱模剂经常直接喷洒在模具型腔内，通过减少塑胶件与型腔摩擦力的方式，帮助塑胶件从型腔中脱出。不幸的是，在超声波焊接时，脱模剂也会减小焊接界面上两塑胶件的表面摩擦力，而超声波焊接工艺正是依靠表面摩擦产生热的，脱模剂会降低超声波焊接性能。另外，脱模剂中的化学物质也会影响理想焊接强度的获得。
因此，对于需要进行超声波焊接的塑胶件，必须在注射过程中避免使用脱模剂。如果不得不使用脱模剂，则在焊接前必须清洗塑胶件，不过只有一些脱模剂能够清洗干净。推荐使用干性脱模剂，其对超声波焊接性能影响最小，甚至不必在焊接进行前清洗。尽量避免使用硅、氟、硬脂酸锌和硬脂酸铝等类型的脱模剂。

(3)润滑剂：

润滑剂例如蜡、硬脂酸锌、硬脂酸铝、硬脂酸和脂肪酸等被加入到塑料中用于提高流动性和增加注射性能。但是，在超声波焊接时，润滑剂会减小焊接界面的摩擦系数，从而影响塑料的超声波焊接性能。

(4)填充剂：

为了提高塑料的力学性能，塑料中会加入填充剂，常用的填充剂有玻璃纤维、碳纤维、滑石粉以及碳酸钙等。玻璃纤维添加到塑料中用于提高塑料的机械强度和尺寸稳定性。普通的矿物质填充剂，如玻璃纤维和滑石粉，会提高塑料传导振动的能力，提髙塑料的超声波焊接性能，特別是对于半结晶塑料。一般来说，10%〜20%的玻璃纤维会显著提高塑料的超声波焊接性能。
但是，比例过大会带来其他问题。例如，填充剂的比例若为30%，但在局部的焊接界面，真实的比例可能已经超过30%，使得在焊接界面没有足够的塑料熔化而获得理想的焊接质量。当填充剂比例超过40%时，很有可能在焊接界面不可焊接的材料比可焊接的材料还多，这就意味着超声波焊接性能会变得很差。

(5)回料：

由于塑料的可冋收性和为了降低零件材料成本，在塑料中常常会加入回料。超声波焊接允许在塑料中加入回料，因为回料本身是同一种塑料，但是，回料的比例不能过大，而且回料不能是已经降解的或者被污染的，否则会出现焊接质量问题。为了保证焊接的质量，建议回料的比例越少越好。

(6)色素：

色素对塑料的超声波焊接性能影响较小，除非色素的比例过高。相比其他颜色，白色和黑色通常需要添加更多的色素，冇可能带来一些焊接问题。同一种塑料的不同颜色可能需要不同的焊接参数，可以通过调机来获得。

(7)塑料等级：

塑料等级对塑料的超声波焊接性能具有很大的影响。同一种塑料的不同等级可能会有不同的熔点和不同的流动特性。

9 导熔线的设计

9.1 导熔线的概念

超声波焊接时，两个塑胶件的初始接触面积必须足够小，以集中能量，同时减少塑料熔化和熔合所需的总体能量。导熔线（或称导熔线柱、超声线）即是这样的一种结构，是在一个塑胶件焊接界面上凸起的三角形柱，顶端越尖越好，基本作用是将振动能量聚集在三角形的尖端，其后累积的热量在整个焊接界面形成均匀的塑料熔流。
导熔线的优点包括：
1)增加焊接的强度，减少虚焊。导熔线利于两个塑胶件的熔合，可提高焊接的强度。使用导熔线的超声波焊接如果发生虚焊，则两个塑胶件之间会出现断差，很容易发现虚焊的缺陷、继而避免虚焊的产生；而没有导熔线的超声波焊接如果发生了虚焊，则很难通过外观进行辨别。

2)减少溢料，提高外观。导熔线使得焊头与塑胶件的接触时间缩短，因此较少溢胶。另外，由于焊接区域变小，避免了材料堆积从而减少溢胶。通过合理的导熔线及焊接结构设计，超声波焊接可以具有高品质的外观。

3)缩短焊接时间。导熔线可减少塑料熔化和熔合所需的总体能量，继而缩短焊接时间，图3-109所示为无导熔线与有导熔线的焊接时间对比，使用导熔线的焊接塑料更早熔化和熔合成一体。同时，焊接时间的缩短有助于避免塑胶件长时间焊接而引起的过焊问题。

4)减少振幅。导熔线使得超声波焊接在满足焊接质量的前提下，需要较小的焊接能量，从而可以减小焊接振幅。

9.2 导熔线的基本设计

正确的导熔线设计是提高超声波焊接强度和质量，缩短生产周期的关键。导熔线必须具备的条件是最初的接触面积不可太大。相对于无定形塑料，半结晶塑料要求导熔线的角度更尖，这是因为半结晶塑料本身并不太利于超声波焊接能量的传导。一般来说，无定形塑料的导熔线顶端角度为90°，半结晶塑料的导熔线顶端角度为60°,如图3-110所示。

导熔线可设计在任意一个焊接零件上，推荐把导熔线设计在与焊头接触的塑胶件上。错误的导熔线设计不利于两个塑胶件之间的超声波焊接，如图3-111所示。

9.3 十字交叉型导熔线

十字交叉型导熔线是指在两个焊接塑胶件上均设置互相垂直交叉的导熔线，以在焊接时提供最小的初始接触面积，同时使得两个零件上的更多的塑料能够熔合为一体，如图3-112所示。

十字交叉型焊接能够提高超声波焊接强度，缩短焊接时间和减小焊接功率，但容易产生断差和溢胶。两个塑胶件
上的导熔线尺寸均应当为常规尺寸的60%，导熔线顶端角度为60°。

当产品有水密和气密的要求时，可将与焊头接触的导熔线连续排列，呈锯齿形状，导熔线之间没有间隙，如图3-113所示。

这种设计的缺点是超声波焊接为熔合更多塑料，很有可能造成溢料，影响产品表面外观质量，因此这种设计适用于沟槽型或阶梯型超声波焊接结构中以隐藏溢料。

9.4 导熔线垂直于壁

如图3-114所示，导熔线垂直于壁，可以用于提高焊接的抗剥离力以及减少溢胶。这种设计适用于非密封要求的产品中。

9.5 间断的导熔线

如图3-115所示，导熔线是不连续、间断的，可用于减小焊接能量的设计，这种设计会降低焊接强度，适用于非密封要求的产品中。
　 　 　

9.6 凿子型导熔线

当塑胶件尺寸小于1.5mm时，常规的导熔线可能会较小，造成焊接强度不够，可使用凿子型导熔线，如图3-116所示。凿子型导熔线的高度为0.38 ~0.50mm，角度为45°；凿子型导熔线位于台阶的内侧，可确保焊接时不会脱离狭小的焊接界面，另外还可以使得塑料熔料远离产品开口区域。

10 超声波焊接的结构

10.1 基本型

超声波焊接结构的基本型，是在焊接平面上设计一条贯穿整个焊接平面的导熔线，如图3-117所示。基本型的超声波焊接结构适用于大多数的场合，其缺点是有可能会在塑胶件的熔合面产生溢胶，影响产品外观质量。

//基本型缺点较多，能不用就不用。

10.2 阶梯型

阶梯型焊接如图3-118所示。其优点是适当增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13〜0.51mrn)可将焊接熔料可隐藏于间隙1中，避免溢胶的产生，具有较高的外观表面质量。

//其实就是美工槽。
阶梯型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于2mm。

10.3 沟槽型

沟槽型焊接采用间距式移位焊接，设计时凹凸面保持一定的间隙和斜度，适用于要求完全密封的焊件。同时，沟槽式焊接界面提供自定位功能。适当的增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13〜0.51mm)可以防止溢胶的产生，如图3-119所示。

沟槽型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于3mm。

10.4 剪切型

对于半结晶塑料，普通结构的超声波焊接，例如基本型、阶梯型等很难保证足够的焊接强度。这是因为半结晶塑料从固体转化为熔化状态是在很短的一个温度变化区间完成的，转化的时间极快，反之亦然。因此，在熔化塑料与对应零件的塑料熔合在一起之前，有可能有部分塑料已经固化，造成焊接强度低。
针对半结晶塑料，建议使用剪切型焊接结构设计，如图3-120所示。

剪切型焊接首先在较小的初始接触区域进行熔合，然后在一段干涉区域继续熔合。由于熔合区域没有与周围的空气接触，剪切型焊接可以保证较高的焊接强度和提高密封性能。剪切型焊接的强度取决于熔合区域的垂直高度，即焊接深度。一般要求焊接深度为零件焊接处壁厚的1. 25倍，两个塑胶件干涉量以及尺寸精度要求见表3-15。

为确保剪切型焊接的质量，需要注意以下几点：
1)侧壁的强度需要足够髙以及获得足够的支撑，以避免因为焊接过程产生的力而造成侧壁变形；而底部焊接零件也必须通过焊接治具进行支撑，治具需要紧靠在零件的四周。

2)上部塑胶件的强度必须足够大，以避免在焊接过程中产生变形。同样的道理，底部塑胶件的壁厚应当大于2mm以避免变形。

3)上部塑胶件和底部塑胶件在干涉区域的配合面应当是平面，并互相垂直。

4)焊接塑胶件需要具有较好的制造精度，推荐使用下一节提供的定位柱与定位孔等定位方法来辅助两个塑胶件的准确对齐。否则，焊接干涉区域的尺寸由于较小而得不到保证，继而无法确保焊接的强度。
剪切型焊接可以和沟槽型焊接等结构配合使用。

10.5 特殊形状

为了使较难熔接的塑胶件或外形不规则的塑胶件达到水气密熔接，可能需要使用弹性油封与旋绕道以阻隔熔胶的流动。图3-121所示为一种配合〇形密封圈的焊接界面设计。

//这时候超声波焊接只有像螺钉一样的固定作用，并没有水气密的作用。

//其实现代的超声波焊接结构在发展中，新的结构层出不穷。一般好的供应商都会提供相对应的超声波结构资料，以配合自家的设备达到最好的焊接效果。所以读者是可以向供应商索要的。

11.塑胶件的超声波焊接结构设计

在设计超声波焊接结构之前，下面这些因素必须充分考虑清楚：

11.1 使用塑料的种类。

塑料不同，对超声波焊接结构要求也不同。例如，相对于无定形塑料，半结晶塑料要求导熔线角度越尖越好；另外，半结晶塑料应尽量避免远程焊接，否则焊接质量不容易得到保证。

11.2 产品尺寸和内部结构。

　超声波焊接要求产品尺寸不能过大，产品内部结构必须有利于超声波焊接能量从焊头传递到焊接界面，同时产品的内部结构必须足够强壮以抵抗超声波焊接时的巨大能量。

11.3 产品受力。

产品受力的大小、类型和方向决定了导熔线的设计和布局。

11.4 水气密的要求。

产品如果有水气密的要求，则导熔线需要达到密封的要求。

11.5 外观的要求。

如果产品的外观要求较高，不允许溢胶的产生，则需要合理地设计超声波焊接结构以避免溢胶。

11.6 是否还有其他特殊要求。

12.其余辅助超声波焊接结构的设计原则（重要）

12.1 超声波焊接零件需要导向和预定位

在两个塑胶件焊接界面开始接触之前，在零件之间设计定位特征能够保证两个塑胶件的准确定位，这有利于提高超声波焊接的质量和提高焊接的尺寸精度，定位特征包括定位柱、孔、凸台和边等，如图3-122所示。当然也可以设计辅助夹具来增加定位，笔者不推荐这种方法，因为从面向制造和装配的产品设计理论来看，辅助夹具会带来产品成本的增加，不是一个最好的方法。

　　　　　　　　　　　　　良好的塑胶产品上下壳定位是实现完美超声焊接的前提

12.2 避免尖角

由于焊接零件上的尖角在注射过程中产生应力集中，在超声波机械振动下，很容易发生折断。所以，对于塑胶件壁与壁的任意连接处呈尖角的地方，都应当设计一定的圆角（半径至少大于0.5mm),如图3-123所示。

避免尖角、直角设计可以避免应力集中造成产品振断

12.3 避免超声波零部件结构较弱而发生断裂

塑胶件内部或外部表面附带的突出或细小特征会因超声波振动发生断裂或脱落，通过以下措施可减少或消除这种问题：
1)在细小特征与主体相交的地方加一个大的R角（见图3-124)。
2)增加细小特征的厚度或直径。

12.4 把近场焊接作为第一选择

近场焊接是指超声波焊接界面与焊头接触面间的距离在6.35mm以内，大于6.35mm的称为远场焊接，如图3-125所示。
在无定形塑料中，分子的无序排列使得振动能量容易在其间传递并且衰减很小，在低硬度塑料中也会发生振动能量的衰减现象。与之相反，半结晶塑料中的晶体结构阻碍了振动的传导，振动衰减很大，使得远场焊接变得困难。因此，在产品设计时，应考虑到是否有足够的能量传递到焊接界面；对于半结晶塑料，应尽量避免使用远场焊接。

12.5 增加塑胶件焊接面与焊接头的接触面积

焊头位置和焊头与塑胶件接触是能否成功焊接的一个关键因素。一般来说，焊头应该足够大使得其直线投影可以覆盖整个焊接区域，这一方面可以帮助将超声波振动能量传递到焊接区域，另一方面可避免在表面留下伤痕，如图3-126所示。

接触面积过小会影响超声波的传递效果

12.6 焊接面与焊头面平行，且为单一平面

塑胶件的焊接面必须平行于焊头面，而且焊接面和焊头面均要分别保持在单一平面，从而使得能量均匀传递，有利于取得一致的焊接效果，并减小溢胶可能性，图3-127和图3-128所示就是错误的焊接面和焊头面设计。

12.7超声波传导区避免孔或缺口

与焊头接触的塑胶件有孔或其他缺口，则在超声波传导过程中会产生干扰和衰减。根据塑料类型（尤其是半晶体材料）和孔的大小，在开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量避免在超声波传导区域出现孔或缺口，如图3-129所示。

　　　　　　　　　产品镂空位置将阻碍超声波能量的传递

12.8避免薄而弯曲的结构

超声波的传播是直线传播，因此在超声波的传播路径中，应当避免薄而弯曲的结构，否则超声波振动很难传递到焊接面，特别对于半晶体材料，如图3-130所示。

12.9避免薄膜效应

薄膜效应是一种能量聚集效应，可造成塑胶件出现烧穿现象，在平的、圆形的、壁厚较薄的位置最为常见，通过采取下列一个或结合数个措施可以克服这种现象：
1)增加壁厚，如图3-131所示。
2)减少熔接时间。
3)改变振幅。
4)采用振幅剖析。
5)在焊头上设计节点活塞。
6)增加内部加强筋。
7)评估其他频率。