塑胶件的结构设计：超声波焊接篇（中）

04  超声波焊接效果的影响因素

一、塑胶材料因素

上篇已经介绍的适合超声波焊接的材料选择，一般情况下两种材料满足Tg或熔点接近、化学相容性良好和熔体流动指数接近这三个条件，基本可认为是可焊接的，但需要注意以下几点：

1、热塑性塑胶又分为非结晶性（也叫无定形）塑胶和结晶性（或半结晶性）塑胶。

同时，结晶性塑料常常有较高的熔点，需要很高的能量（高熔化热度）才能把结晶型的结构打断从而使材料从结晶状态变为粘流状态。因此，与非结晶性塑料相比，结晶性塑料更难焊接。为了获得结晶塑料的更高焊接质量，通常需要考虑更多因素，例如更高的振幅，更短的焊接距离等，且为了集中超声能量，超声线的角度设计的更小或采用其他的超声结构（剪切式）。

焊接过程中，结晶性（或半结晶性）塑料迅速熔化和迅速冷却，焊缝处容易产生较多的非晶态（无定形）状态塑料。如当产品在后续使用过程中在高温下工作时，焊缝处非晶态（无定形）状态塑料会逐步转变成半结晶状态，从而在焊缝处内部产生额外的结晶应力，可能会降低焊接强度。

2、同一材料之间熔点是相同的，从原理讲是可以焊接的，但是当材料的熔点大于350℃时，不建议使用超声焊接。因为通过超声波振动效应熔化高熔点的材料需要更久的时间，显然超声波焊接效率的优势就明显降低，此种情况应该选择其它焊接工艺，如热板焊接等。

3、难焊接的材料，除非部件设计可以弥补材料性能对焊接的影响。例如，焊接低储能模量材料时（如弹性体、聚丙烯和聚乙烯等），焊头和焊接面之间的距离应该尽可能小（近场焊接）。

4、塑胶中填料的影响

填料如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性，塑料中填料的含量与塑料的可焊性和焊接质量密切相关，填料含量低于20%的塑料无需特殊处理即可正常焊接，当填料含量超过30%时，混合物没有足够的流动性，不能流入两侧形成更多的粘接区域，因此焊缝表面塑料比例不足，分子间融合不足，焊接强度会降低。

举例：PPS（聚苯硫醚）是一种半结晶热塑性塑料，具有陡峭的熔融曲线和较高的熔化温度（285°C)，其纯料PPS不适合超声波焊接。但在添加玻璃纤维和其它填料后，因PPS混合物刚度大大增加，有助于超声波振动传递，所以可用超声波焊接。在焊接筋设计合理的条件下，玻纤含量40% PPS可以很容易焊接。然而继续增加玻纤含量和矿物粉时，因为混合物中树脂成分含量变低了，导致超声焊接困难。

解决方法：

对于这类填料含量高的塑胶件不适合使用三角导筋或台阶焊筋焊接，常常使用剪切缝，在焊接过程中连接界面上会产生类似的涂层动作，使熔融塑料产生更大的流动性，因此能够更容易焊接，同时剪切缝熔化粘接面积较大，所以也有利于密封。

焊接强度的影响：

5、润滑剂、脱模剂和杂质的影响。

6、塑料吸湿性的影响

7、除此之外，还有许多其它因素会影响焊接强度：

二、塑胶件超声结构的设计

1、超声结构

1）超声线的含义

2）为什么需要设计超声线？

图：有超声线和无产生线的焊接时间对比

3）超声线的基本设计

以下为无定形塑料和半结晶塑料的取值区别，其中h的取值与塑胶部件外形大小有关外，也与塑胶部件的壁厚有关。

c）超声线的宽度b，超声线的截面一般为等腰三角形，宽度值b可以通过角度θ以及高度h换算出来，这里就不详细介绍了。

• 封闭的超声线 ，此类超声线具有完整的、连续的、不间断的超声线，能提供足够的焊接强度，同时也可实现水密、气密等密封要求，由于超声线与壁平行，非常适用于实际的外壳产品。

  

  图：封闭的超声线

• 间断的超声线，如果只是需要实现一定强度的连接，无水、气密封要求，那么通常采用间断的超声线，这类超声线需求更少的能量，比较容易焊接。

  

图：间断的超声线

• 垂直于壁的超声线，此类导熔线垂直于壁，可以用于提高焊接的抗剥离力以及减少溢胶。不过实际应用中由于壁一般还需设计止口，导致每个超声线长度很小，所以不常用。

图：垂直于壁的超声线

• 十字交叉超声线，此类超声线综合平行于壁和垂直于壁的超声线，在两个焊接塑胶件上均设置互相垂直交叉的超声线线，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。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。

图：十字交叉超声线

图：十字交叉锯齿形超声线

• 凿子型超声线，当塑胶件壁厚小于1.5mm时，常规的超声线可能会较小，造成焊接强度不够，可使用凿子型超声线，如图所示。凿子型超声线的高度h为0.38 ~0.50mm，角度为45°；凿子型超声线位于台阶的内侧，可确保焊接时不会脱离狭小的焊接界面，另外还可以使得溢胶远离产品外观开口区域。

图：凿子型超声线

4）超声波焊接的配合结构

这种普通的超声波焊接配合结构，其优点是，由于不在外壁上设计止口，壁厚均匀性好，因此，除了应用在端盖型产品焊接上，也适用于小型产品，这类产品壁厚本来就小，再切止口容易产生应力痕等外观缺陷。比如，在苹果公司的专利中，发现一项“无缝一体式结构”的专利，描述了如何将不同的零件焊接在一起以获得无缝的外观。

具体是对超声波焊接后产生的溢出焊接环进行切割、打磨、抛光和清洁等工序后，可以制造出具有无缝、更美观的“一体成型”外观的耳机。

b）阶梯型

• 配合面采用止口式设计，可实现自定位，减少零件在焊接过程横向移动，减小外观断差，通过设计美工线，即使有轻微变现，断差也不明显。
• 如有溢胶产生，也是在产品内侧产生，不会在产品外侧残留，保证外观质量。
• 阶梯形配合结构对塑胶零件的公差要求宽松（相对于凹槽型和剪切型）

• 焊接强度一般（比普通型高，但低于凹槽型和剪切型）
  
• 可实现一般的水、气密封效果，但无法承受较大的压强。

• 超声线的尺寸参数（高度和角度）可按上述要求设计；
• 止口配合间隙a，此间隙必须要有，否则焊接下压过程有可能受影响，a取值范围0.05-0.2，小产品取小值，大产品取大值；
  
• 母止口的宽度b，受焊缝的宽度影响，焊缝越宽，焊接的区域就越大，强度越高，具体应根据实际要求而定，b的取值通常为w/3，且需≥0.6，否则存在注塑问题；
• 母止口的高度c，如果母止口的宽度b过小，那么c就不能太高，否则由于壁厚不均匀，外观容易出现应力痕，c的取值通常与b相对应，可取w/3，且最好需≥0.6；
• 公母止口预留间隙d，等于超声线高度h+美工线高度（0.2-0.5）。

阶梯型配合结构常用于壁厚W≥1.5mm的产品零件，这是因为需要留出母止口的宽度，如果壁厚过小，那么必然导致焊缝宽度变小，焊接强度就会受到影响。如果壁厚W小于1.5，那么推荐以下配合结构（也就是上述介绍过的凿子型超声线结构）。

c）凹槽型

• 配合面采用双止口设计，在实现自定位的同时，能提供较好的断差控制作用，美工线可做可不做，根据具体产品情况而定；
• 熔化的塑料会填充满止口底部和侧面的间隙，基本无溢胶产生，外观和内部质量良好；
• 由于止口底部和侧面的间隙都可以填充熔化塑料，且焊缝受周围冷空气流动的影响小，熔化的塑胶分子有更多的时间互相融合，因此能提供较大的焊接强度。
• 非常适合应用于具有水、气密封性的产品，能适应更大的压强。

缺点：

• 对塑胶零件注塑精度要求高，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（主要指水、气泄漏）。
• 对塑胶零件的壁厚有要求（最好≥3mm），太小的壁厚无法设计双止口。

• 超声线的尺寸参数（高度和角度）可按上述要求设计；
• 止口配合间隙a，此间隙必须要有，否则焊接下压过程有可能受影响，a取值范围0.05-0.2，小产品取小值，大产品取大值；
  
• 母止口的宽度b，受焊缝的宽度影响，焊缝越宽，焊接的区域就越大，强度越高，具体应根据实际要求而定，b的取值通常为w/3，且需≥0.6，否则存在注塑问题（另外，也可考虑外侧母止口的宽度b比内测大些，内测胶厚可往里偏）；
• 母止口的高度c，如果母止口的宽度b过小，那么c就不能太高，否则由于壁厚不均匀，外观容易出现应力痕，c的取值通常与b相对应，可取w/3，且最好需≥0.6；
• 公母止口预留间隙d，等于超声线高度h+美工线高度（0.2-0.5），美工线可做可不做；
• 止口导向斜度β，便于装配和焊接，一般取3-5°。

同样地，如果壁厚W小于3mm，那么推荐以下配合结构。

• 止口配合间隙a，此间隙必须要有，否则焊接下压过程有可能受影响，a取值范围0.05-0.2，小产品取小值，大产品取大值；
  
• 母止口的宽度b，为了保证侧壁的强度，b的取值不能过小，至少为2w/3；
• 导入口深度c，为了更好实现焊接，导引深度至少1mm；
• 公母止口预留间隙d，等于焊接深度h+美工线高度（0.2-0.5），美工线可做可不做；
• 焊接深度h，焊接强度取决于焊接深度，焊接深度一般建议是壁厚W的0.75倍，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，若焊接强度要求超过周围壁本体的接强，建议焊接深度为壁厚W之1.25倍。
• 剪切量（干涉量）e，剪切量的多少与熔化的塑料量有关，间接与焊接强度有关。常规设计如下：

• 配合结构类似止口设计，可实现自定位，减少零件在焊接过程横向移动，减小外观断差，通过设计美工线，即使有轻微变现，断差也不明显。
• 焊缝受周围冷空气流动的影响小，熔化的塑胶分子有更多的时间互相融合，因此能提供较大的焊接强度。
• 焊缝具有优异的气密性，能适应更大的压强。

• 外观面有可能出现一些溢胶；
• 剪切需要的焊接时间是其他超声线设计的 3-4 倍，因为要焊接大量的树脂。
  
• 不易保证一周一致的剪切量，这会影响到焊接强度和密封性。
  
• 上下塑胶件的强度必须足够大，底部焊接零件必须通过焊接治具进行支撑，治具需要紧靠在零件的四周，否则在焊接过程中易产生变形。
• 上下塑胶件的尺寸精度要求高，否则焊接区域变形会导致剪切量不均匀，以及焊接失。
• 以上缺点限制了剪切型焊接结构一般只适用于外形规则的小产品，大产品很难控制。

剪切型焊接结构可以和凹槽型焊接等结构配合使用，如下图。

以上，未完待续。。。

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