超聲波焊接中導熔線結構設計

 导熔线必须愈尖愈好,圆顶或扁平的导熔线将减低熔胶流动的效率,当熔接相对容易熔接的塑料(如高硬度和低熔解温度的PS),建议导熔线的高度不可低于 0.25㎜,若熔接半晶型或高熔解温度之非晶型塑料(如PC),导熔线高度不可低于0.5㎜;对于采用导熔线设计的半晶型塑料(如PA),熔接强度是来自 导熔线三角型的底线之宽度.顶角随壁厚而改变;原则上导熔线设置在哪一边的塑件的熔接面上是没有任何分别的.但在熔接两种不同材料的特殊情况下,一般上是 将导熔线设置在熔解温度和硬度较高的那一边的工件的熔接面上;导熔线的设计要有能相互对位的功能如插针与插孔,肋状对位片,沟槽设计,或需要良好的支撑. 熔接区域不可放置顶针;

超聲波導熔線的結構設計：

階梯熔接面
一階梯熔接面设计主要用于需要精确对位与完全不可接受过熔或溢胶出现在外露表面的高质量要求上；
设计注 意(图1.)围绕整个工件接口之额外0.25至0.64㎜的空隙,这新增的“影线(美工线)”设计特性使熔接完毕后接口四周将出现0.25至0.64㎜之 空隙.如此会产生美观的效应,因为工件与工件之间的变形不易被发觉.如果完全密合,很可能会在某些位置出现溢胶,在别的位置却出现微隙;美工线的设置使微 小的变形不易被察觉.这款导熔线设计采用与平头加导熔线设计一样的基本概念(就是:材料、熔接要求、工件大小).注意这款设计的壁厚要求最小尺寸为2㎜

溝槽式之熔接面設計
—这种设计的主要优点是能从裹外二面防止溢胶,并且可提供对位功能.由于熔胶被封,因此提高达到水气密的机会. 也由于沟槽的设计需要一定的公差配合,因此也增加成型的困难度.同时,由于熔接面积的减少,往往造成它的熔接强度比不上平头接面设计，这款导熔线设计采用 与平头加导熔线设计一样的基本概念(就是:材料、熔接加工要求、工件大小).注意这款设计的壁厚要求最小尺吋为2㎜

咬花面設計
--此设计是专为配合导熔线设计使用,熔接面有咬花形状可改善整体熔接质量和强度,原因在于粗糙面能增进摩擦与 控制熔解(图3.).通常咬花深度0.076至0.152㎜,其变化视导熔线高度而定.往往得到的优点包括强度的增进、溢胶或微粒的减少、熔接时间的减短 以及振幅的减低；

十字交叉熔接面設計
—在塑件的二熔接面上都設計導熔線並且使它們互呈垂直交叉,使初接觸面減至最低並使大量的塑料熔接以增加熔接強度(圖4).這種導熔線的每一段尺寸可采取標准導熔線尺寸的60%左右.
若 欲取得水气密的熔接效果,建议一方的导熔线设计采用如图5.所示之连续钩齿状.同时建议导熔线的顶角角度为600而非标准型的900,同时还建议把比钩齿 状设计之导熔线设置在与焊头接触边的塑件上.应注意的是,此款设计将产生大量的溢胶,因此必须考虑溢胶的问题或采用有溢料槽设计的熔接面如沟槽式的熔接面 设计

垂直于牆壁的導熔線設計
—用于增加抗撕裂與減少溢膠(圖6),這種設計僅適用于只需要結構性的熔接而已;

 間斷的導熔線設計—
可減少熔接面積因此降低能量或所需的功率層級,這種設計只能用于非水氣密的結構性熔接而已(圖7);

鑿子型導熔線
—爲壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖10.)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標准導熔線,熔接強度將會減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度並且采用450角.由于熔接強度取決于導熔線之寬度,當采用此款導熔線設計時必須配合使用咬花面；

鑿子型導熔線
—爲壁厚不及1.524㎜之工件所采用(圖8)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標准導熔線,熔接強度將會減弱.尖刀處可采0.381至0.508㎜之高度並且采用450角.由于熔接強度取決于導熔線之寬度,當采用此款導熔線設計時必須配合使用咬花面；

特殊熔接面設計
—为了使较难熔接的塑料或外型不规则之塑件达到水气密熔 接,可能需要使用弹性油封与旋绕道以阻隔熔胶之流动.图9.显示一种配合“O”型环的熔接面设计.有一要点应注意“O”型环在熔接完毕后只压缩10%至 15%而已.柱状塑件与插孔(大头柱子熔接)亦可成功的配合“O”型环以达到水气密；

剪切的設計注意點：
剪切式熔接面設計
—在熔接尼龙、乙缩醛、聚乙烯、聚丙烯和热塑性聚酯这类半晶型 塑料时,采用导熔线设计有时是不能达到预期效果的.这是因为这类半晶型塑料在相对很狭窄的温度变化范围内迅速从固态再变回固态.导熔线熔化时还未来得及与 对面塑件熔合即开始固化,因此熔接强度只赖由三角形之宽度所提供.因此当熔接以上塑料,如果外型许可的话的建议采用剪切式熔接面設計,可达到理想的熔接效 果.

剪切式熔接面的熔接过程是,首先熔化开始接触的小面积材料,然后沿着壁面继续垂直向下而有控制的导引入下工件裹头去(请观看图10).这种熔 接方式绝对不会让四周的空气接触到熔解区域,因此可获得高强度的结构性或水气密的熔接.由于上述原因,剪切式熔接设计特别适用于半晶型塑料材料；

熔接強度與熔接面垂直向下的熔接面積有直接關系.強度可由改變熔接深度去達到個別應用的熔接要求.注意:若熔接強要求超過牆壁的接強,建議熔接深度爲壁厚之1.25倍；

剪切式熔接需要有堅固的側邊牆壁支撐以避免熔接時變形.下工件的四周牆壁高度必須高至接口位置,內壁必須與工件外部型體完全吻合.上工件的整體結構也應十分堅固以防止內傾變形.

對于熔接部位在牆壁中央位置,可采用圖11.所示的變體溝槽設計.這種設計也適用于大型塑件的熔接.

应当注意的是如果工件最大尺吋在89㎜或更大并且复杂或者有直角的转角就不宜采用剪切式熔接设计,因为这会给上 下工件之间所必须保持的成型公差带来困扰.也就是难于保持稳定的熔接效果.在这种情况下只能建议采用导熔线设计.当只需要结构性熔接而已.(即不要求强度 与水气密),可采用图13.所示的间断性的垂直导熔线设计.如此可减少整个熔接面积,也因此减少所需的能量或功率.伤痕出现的机会亦可大大的减少

薄膜效應—一種能量聚集效應造成塑件出現燒穿現象.在平的圓形的、壁厚較薄的位置最爲常見,通過采取下列一個或結合數個措施可以克服這種現象
 減少熔接時間
 改變振幅
 采用振幅剖析
 在焊頭上設計節點活塞
 增加壁厚
 使用內部支撐肋骨
 評估其它頻率

超声波模具接触与放置位置在塑件熔接时可扮演举足轻重的角色.一般而言,焊头的尺寸应该大到足以遮盖整个工作,因此从顶直接施压在熔接区域上,(图20.)这有 利于机械振动能量的传导并可避免接触面留下伤痕.焊头或塑件的表面也可以在熔接区域凸起以增进接触的效能;如此将改善熔接效果的稳定度,注意:焊头与工件 的接触面必须大于熔接区域的总面积,否则将有可能导至表面伤痕.
另：
１.相同熔點的塑料材質熔接強度愈強。
２.塑料材質熔點差距愈大，熔接強度愈小。
３.塑料材質的密度愈高（硬質）會比密度愈低（韌性高）的熔接強度高。

超聲波結構
一般来说，在设计超聲波結構之前，需考虑
· 选择什么塑料
· 是否只需要结构性的熔接,如果需要的话，要求它能承受多少压力
· 是否需要水气密
· 是否有外观上的要求
· 是否允许有任何溢胶微粒的产生
· 是否还有其它特殊要求等问题。

熔接面的設計准則
　　那超聲波焊接結構設計中，最重要的就是熔接面的設計。
爲了獲得可接受的、穩定性高的熔接效果,必需遵循下述三項基本設計准則：
1.  两熔接面的最初接触面积必须减小，以降低初期与最后的完全熔化所需要的总能量，使 焊头与工件的接触时间降低至最少因而减低造成伤痕的机会，也因此减少溢胶；
2. 提供一种能使二熔接面相互对位的方式，在搭配塑件的设计中可采用插针与插孔，阶梯或沟槽的方式，而不应采用固定在焊头或底模内的方式，这样可确保准确与稳定的对位并避免造成伤痕；
3. 整个熔接面必须均匀一致与紧密接触，尽可能保持在同一平面，这样的形状能使能量均匀传导，有利于取得一致的与可控制的熔接效果，并且能减低溢胶产生的可能性；

超声波焊接應用原理：
      利用超声波振动频率，接触摩擦产生热能使塑料熔融而结合，依目前较普遍的，即为每秒振动二万次﹙２０ＫＨＺ﹚与每秒振动１．５万次﹙１５ＫＨＺ﹚二种（另外尚有数种特殊振动频率）。

熔接面設計的其它考慮：
1.直角轉角會聚集應力.如果塑件上面有若幹應力聚集點,在經過超音波機械振動後,塑件的高應力區域如轉角、邊沿與交界處可能出現斷裂或其它的傷痕.補救的措施是盡量增加轉角之圓弧度(0.508㎜).請參閱圖15
2. 塑件上的孔位或缺口像气孔类的开口会阻断焊头传送出来的超音波能量(图16).它对熔接的影响取决于塑件材料种类(尤其是半晶型塑料)和开口的大小，在缺 口的正下方几乎没有办法熔接.当塑件上有缺口或有转弯形状,塑料将会阻碍能量的传导,使能量更难到达熔接面,尤其是剪切式熔接.在塑件设计过程当中应特别 注意避免此类问题的发生.由于钢模设计不当造成塑件内出现气孔,这种情况也会使能量传导受阻或使塑件穿孔；
3.近场与远场熔接之对比一近场熔接指 的是熔接面距离焊头接触位置在6.35㎜以内;大于6.35㎜的距离则为远场熔接(图17),如上所述,因为半晶型分子结构塑料会阻碍振动能量的传导,所 以难以对它们作远场熔接.至于非晶型塑料,由于分子随意排列,振动能量容易在其间传导并且衰减也很小.在低硬度塑料裹头也会发生振动能量的衰减现象.因此 在设计塑料产品过程当中应考虑到是否有足够的能量传达熔接面；
4.塑件的分肢,柄,或其它細節—機械振動會影響塑件內外表面上的各種突出物,可能造成斷裂(圖18.)下列各種措施能減低或消除這種影響:
將突出物與主體連接處設計成最大的圓弧狀.
利用外加手段削減連接處的扭折.
增加材料的厚度.
評估采用其它頻率的超聲波

超聲波焊接面有導熔線和剪切兩種主要設計類形.
導熔線：
导 熔线实际上是在二熔接面之一上形成一条三角形凸出材料，导熔线的基本作用是聚集能量并且迅速把要熔接的另一面熔解，导熔线能快速熔解并达到最高的熔接强 度，原因是导熔线本身的材料熔解并且流到整个熔接区域，导熔线设计是非晶型材料所采用最广泛的熔接面设计，当然半晶材料亦可采用这种设计.

導熔線的尺寸和位置取決于以下因素:
1.材料;
2.熔接要求;
3.工件大小;