超声波焊接原理和焊缝设计
时间：2020-01-11 浏览：
超声波焊接原理和焊缝设计超声波焊缝设计，常见的有4大类：对接接头(Butt Joint)，台阶接头(Step Joint)，沟槽接头(Tongue-and-Groove Joint)，以及剪切接头(Shear Joint)。选择哪一种设计取决于许多因素，包括材料、零件的尺寸和刚性，以及焊接性能要求，例如焊接强度，外观和密封性等。
对接接头（Butt Joint）
具有导能筋(Energy Director)的对接接头是常见的焊缝设计，注塑件的设计和制造相对简单。导能筋的设计一般是一个三角形，有时也会采用半圆形(Dukane专利)。
导能筋顶部的尖点，有助于集中超声波能量，以快速加热熔化和粘接塑料。如果没有导能筋，超声波能量便无法沿着接合线均匀分布，这意味着需要更多的时间和能量，才有可能熔化塑料。同时，多余能量和时间会导致产品无法接受的外观问题，例如飞边和烫伤等。
三角导能筋尖角一般为90°或者60°，前者适合无定形树脂，后者适合半结晶材料。有时候因为结构限制，三角筋尖角也可以做成60°到90°之间。对于一般尺寸零件(例如特征长度从20mm到80mm)，导能筋底边宽0.4-1.0mm，高度0.35-1mm。
总结：适用于各种大小产品，设计自由度高，能提供一定的焊接强度（低于台阶接头、沟槽接头和剪切接头），但无法保证密封性，且无法提供自定位。用于普通焊接要求的产品。
Branson
导能筋可以设计在上下零件的任何一个上。但是一般建议，是将导能筋设计在与焊头接触的上零件上。在一些特殊应用中，例如不同种塑料焊接，三角筋应设计在具有更高熔点和刚度的零件上。一般来说，无定形材料采用90°尖角，半结晶材料采用60°尖角。
Branson推荐的皮纹面，可以提高焊接强度，并且增加流动阻力以控制溢料，减少飞边。注意，该设计无法保证密封效果。纹理深度在0.076-0.152mm之间。
Dukane
三角筋底边宽0.5-1.0mm，高度0.4-1.0mm。取决于产品尺寸大小。一般经验，当尺寸＜40mm，三角筋高度可选择0.4-0.6mm；尺寸在40mm-76mm之间，三角筋高度可选择0.6-0.8mm；尺寸＞76mm，三角筋高度可选择0.8-1.0mm。当然，不同行业及具体产品，可能略有差别。
圆形导能筋是Dukane专利，经过验证，焊接强度更大，可实现密封。同时，从注塑角度，有益于注塑成型，尺寸稳定。必须注意，圆形导能筋在伺服超声波设备上验证成功，但可能不适用于气动超声波设备。圆形导能筋底边宽0.4-0.76mm。
Ticona
尖角60°到90°，三角导能筋的高度0.3-1mm。
Sonitek
下述建议尺寸是最小值。
Sonics
下左图是一个具有90°三角导能筋的对接接头设计。其中W/5和W/10是建议设计的最小尺寸。当焊接宽度较大时，需要设计多条导能筋。适用于无定形材料，如ABS，SAN和PS等。Sonics推荐的导能筋高度为0.2-0.6mm。
下右图是一个具有60°三角导能筋的对接接头设计。其中建议尺寸也是最小设计尺寸。适用于半结晶材料焊接，如尼龙，PP和PE等。Sonics推荐的导能筋最小高度为0.4-0.5mm之间。
台阶接头（Step Joint）
该设计比对接接头牢固的多，因为材料流入一侧的间隙形成连接，所以增大了焊缝的抗剪切和抗拉强度，相比较对接接头更容易实现密封。
台阶接头保证了上下零件自定位，同时也避免了产品外侧的溢料飞边。从注塑难易的角度，台阶接头对零件配合公差要求宽松。采用沟槽接头时，配合公差要求更紧，也容易侧壁干涉导致焊接不良。
具有导能筋的焊缝接头（包括对接和台阶接头两种），适用于具有较好刚度，同时熔化温度不高的无定形塑料的连接。当使用一些柔软且可压缩的材料，如PP和PE，则不建议采用导能筋的接头设计。对于这类柔软的材料，我们会采用侵略性更强的剪切缝设计，或者采用伺服焊接设备提供额外的焊接压力和时间。
台阶接头要求的零件壁厚一般大于1.5mm。
总结：适用于各种大小产品，能提供较好的焊接强度（高于对接接头，低于沟槽接头和剪切接头），可以实现一般密封性（无法承受较大压强），能够提供上下零件自定位，一侧可挡溢料飞边。用于一般防水要求的产品。
Branson
最小壁厚大于2mm。
当壁厚≤1.5mm时，推荐的焊缝接头设计如下。刀口的高度在0.38-0.51mm。该设计还可以减少外侧飞边。
Dukane
产品壁厚≥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，台阶一侧单边间隙0.1-0.15mm。
内侧挡料设计
外侧挡料设计
内外侧均有挡料设计。
针对PP材料，且零件尺寸较大（大于60mm）时的接头设计。
当壁厚≤2mm时，可采用如下设计。
焊接后留有的最小间隙。
Sonitek
台阶缝的多种形式
Sonics
台阶接头设计的多种形式。
Dupont
沟槽接头（Tongue-and-Groove Joint）
该接头能够提供最大的焊接强度。两侧很小的间隙会产生毛细作用，使熔化的塑料渗入整个焊接区域。
和台阶接头一样，沟槽接头设计有助于零件的自定位，并且在产品内外侧都能阻止溢料和飞边。它还可以保护焊缝免受周围冷空气流动的影响。
沟槽接头最适合用于有气密性要求的产品。但是，如果零件壁厚不能满足接头设计要求(壁厚大于2.3mm)，那么建议采用剪切接头。剪切接头可用于薄壁件的焊接，但是焊接零件时需要更大的振幅。
总结：适用于各种大小产品，能提供最佳的焊接强度（高于对接接头和台阶接头，与剪切接头设计相当），容易实现密封性，能够承受较大压强，可提供上下零件自定位，内外侧可挡溢料飞边。对产品注塑精度要求高，两侧间隙大则导致焊接效果减弱，两侧间隙小干涉会导致焊接失败（主要指泄露）。用于具有严格性能要求的产品。
Branson
最小壁厚3.18mm。
Dukane
最小壁厚2.3mm，建议同上述Dukane台阶接头。
Herrmann
要求壁厚大于2.3mm。
当壁厚小于1.5mm时，沟槽焊缝可采用下面的V形结构。
Sonics
剪切接头（Shear Joint）
剪切接头十分适合半结晶塑料的焊接。当焊接深度足够时，该焊缝具有优异的气密性和焊接强度。如果你要焊接PA材料的薄壁容器，则需要采用剪切接头设计。
剪切接头在焊接过程中，可防止焊接区域暴露于空气中，这可能会使其过快冷却，从而导致脆性。焊接强度取决于焊接深度。一般经验认为，当焊接深度达到0.8-1.5mm，焊缝处的焊接强度与周围壁本体相当。
对于剪切接头，一个巨大挑战是如何保证一周一致的剪切量。例如提高注塑件尺寸精度防止变形，提高上下零件的装配精度，保证零件侧壁有刚性治具支撑等。当零件尺寸较大，且有较大变形时，采用剪切接头几乎无法满足焊接密封性要求。
总结：适用于小尺寸产品，能提供最佳的焊接强度（高于对接接头和台阶接头，与沟槽接头设计相当），容易实现密封性，能够承受较大压强，可提供上下零件自定位。对产品注塑精度要求高，焊线区域变形会导致剪切量不均匀，以及焊接失败。用于具有严格性能要求的小尺寸产品。
Branson
焊接深度一般建议是壁厚的0.75倍。零件壁厚最小2mm。建议零件尺寸最大不超过76mm。
单边剪切量建议值，以及零件尺寸公差建议。
当零件尺寸大于76mm时，可采用如下设计。
Dukane
壁厚W尺寸大于1.5mm，单边剪切量A尺寸0.25-0.5mm，焊接深度B尺寸0.75-1.0mm。其余建议见表格推荐。
Herrmann
Ticona
单边剪切的其它形式。
双边剪切的两种形式。
焊接后留有的最小间隙为0.1mm。
Sonics
剪切接头的多种形式，第一第二种单边藏溢料，第三种内外均可以藏溢料。
当产品尺寸较大，且上零件壁深且柔软时，可采用下面的焊缝接头设计。
Dupont
对于Dupont材料，当玻纤含量30%时，保守计算，焊缝强度约为基体树脂强度的1/3。
水分含量过高会导致很弱或无效的焊缝。例如，尼龙零件在相对湿度50%的情况下，在23°C(73°F)的温暖空气中暴露24小时，会严重影响焊接效果。最好是将零件在干燥（PA66为0.2%水分）条件下焊接。
其它因素
采用超声波焊接工艺时，除了选择适合的接头设计外，工程师们还需要考虑另外一些重要因素。
第一个考虑因素是壁厚。当薄壁小于1mm时，薄壁像弹簧一样，无法有效地将振动传递到接头区域。容易产生横向振动，从而损耗焊接能量。
第二个考虑因素是装配件的整体大小。采用单个焊头焊接产品时，一般要求零件尺寸小于250mm。当然，这也取决于材料，如250x250mm的尼龙盒子肯定无法焊接，但是250x250mm的PS材料盒子可能可以焊接。
第三个考虑因素，因为焊头需要与零件紧密接触，所以工程师应避免在接头上方设计缺口或者孔洞，阻碍振动传递。
第四个考虑因素，焊头距离接头的距离应小于6.4mm，也叫做近场焊接。当距离大于6.4mm时，称为远场焊接。远场焊接不容易焊接，需要更高的振幅和更长的焊接时间，负面影响会增加。
另外，接头附近接头应避免尖角设计，防止引起裂纹。
