超声波焊接在防水产品中的应用及设计优化

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　　摘  要：简述了超声波焊接的原理及影响焊接质量的因素。以一款气密性医疗器械产品为例，说明了焊接面导能筋形式对产品的影响及设计优化方案。
　　关键词：超声波塑料焊接;焊接质量;导能筋
　　中图分类号：TG457         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0099-03
　　Abstract： The principle and the influence factors of ultrasonic plastic welding quality are briefly described. Taking a waterproof product as an example， the influence of energy director on the product and the design optimization are illustrated.
　　Keywords： ultrasonic plastic welding; welding quality; energydirector
　　1 超声波焊接原理及影响因素
　　超声波焊接技术从二十世纪问世到现在，因其经济、环保、应用灵活的特点而在汽车、电子、电器、医疗器械制造等领域中得到广泛應用。
　　超声波塑料焊接指的是利用超声波振动将热塑性塑料产品熔接在一起的过程。高频振动的两个塑料件接触时，焊接面分子间的摩擦使结合处温度急剧上升，使塑料熔化。当振动停止后，塑料熔体再结晶形成均匀的焊接。[1]
　　影响焊接质量的因素有很多，如焊接材料、焊接工艺、导能筋形式等。（图1）
　　要想获得良好的焊接质量，应首先明确：（1）被焊接物的材质，（2）被焊接物的尺寸，（3）被焊接物的用途（载荷、密封、外观美观等要求）。
　　本文通过超声波塑料焊接在一款有气密性要求的家电产品中的应用，重点说明特定焊接面连接形式的设计对焊接质量的影响及优化。
　　 2 焊接面连接形式
　　焊接面连接形式按形状主要分为无导能线的平面型、带导能线型以及剪切型。
　　2.1 平面型
　　无导能线的平面型因为需要更长的超声、保压时间及压力，在实际的产品中应用较少。实际应用中更多的采用带导能线型及剪切型。
　　2.2 带导能线型
　　导能线根据先端的角度，主要有120°、90°、60°、45°等（图2），尽量使导能线的先端锐利。在同等条件下，90°的导能线能获得更大的结合强度。[2]
　　（1）基本型
　　基本型的设计推荐形状参见图2。适用于对外观要求不高的产品。导能线设置在上、下零件对焊接强度并没有特别明显的影响，但当两个强度不同塑料件焊接，焊接筋一般设置在熔点高和强度低的一面。[3]具体的尺寸设计根据设备及产品实际情况会有差异，可以参考超声波焊接机厂家提供的信息。
　　（2）阶梯型
　　阶梯型的设计推荐形状参见图3。因为有竖直面导向及格挡，该设计在对产品外观有要求或需要有过熔的情况下比较常见。
　　（3）凹槽型
　　凹槽型的设计推荐形状参见图4。同（2）阶梯型，因为内外都有格挡，因此这种形状适用于对外观要求较高以及对焊接碎屑掉落到产品内部有要求的产品。同时，该形状可提供较强的密封，对密封有一般要求的产品可以考虑使用。但因为尺寸限制，焊接面及导能线的宽度比较窄，会影响焊接强度，另外对产品模具精度要求较高。
　　（4）斜截面型
　　斜截面设计推荐形状参见图5。对于薄壁产品（壁厚小于1.5mm），导能线宽度太小，会导致焊接强度降低，此种情况可以考虑采用斜截面型结构，先端角度建议45°。为了尽量增加焊接强度，焊接的接合面应当追加有纹理的表面。
　　2.3 剪切型
　　在某些情况下，采用高弹性模量的结晶类塑料时（比如PP、PA等），材料较不易吸收超声波能量，熔化状态不易控制，普通的导能线设计可能无法产生预期效果。在产品几何形状允许的情况下，建议采用剪切型设计。
　　采用剪切型设计，产品先端首先熔化，然后随着焊头下降，通过过盈干涉的垂直壁的继续熔化完成焊接过程。因为整个过程熔化区域接触不到空气，因此可以获得良好的结合强度及密封效果。但这种结构需要焊头施加更大的超声压力，如果产品比较精密或结构强度不足时需要加以注意。
　　3 防水产品应用及设计优化
　　3.1 产品特点
　　图7为一笔式电子体温计结构示意图，该产品对超声波焊接相关设计要求及参数参见表1、2。
　　通过超声波焊接将上帽1和下壳2密封，使内部形成一个装载电子测温、显示功能模块的密封空腔。需注意的是靠近超声波焊接接合面5的下方，是通过插入成型嵌入的透明PMMA视窗板，通过视窗板用户可以看到内部空间里对应位置的液晶显示区域，用以读取体温值。
　　图7的设计方案，生产线反映有大量的产品出现焊接后不密闭的情况，体温计视窗上可以看到长度0.4～1.7mm不等的碎屑附着在产品内部无法去除（图8a、b）。这些都导致产品生产后只能废弃，造成大量浪费。
　　分析其原因，主要为导能线结构不合理，尖端角度为70°不够尖锐，影响熔化效率。下壳接合面不是平面而是斜面，在焊头压上帽向下移动过程中，使上帽先端向斜下方摩擦式滑动，难以让塑料高效熔化结合，这一点从液晶上观察到的碎屑情况可以得到证实。另外焊接面并没有出现黑色过熔痕迹（图8c），说明理论上焊接面处还可以加大焊接功率。为了增强结合强度，曾通过调整超声、保压时间以及超声压力等参数以增加焊接功率，效果均不理想。因为增加保压时间或压力，甚至导致下壳的PMMA视窗板和下壳结合处裂缝，产生次生不良问题。
　　3.2 设计优化
　　根据以上分析，对产品形状进行了针对性变更（图9）。改变上帽导能线形状，因为产品尺寸限制，壁厚只有2mm，难以采用凹槽型导能线，因此根据实际情况调整尖角角度70°→50°，同时取消下壳的斜面，变更为平面。
　　 4 结束语
　　经过一系列设计改善变更，基本杜绝了碎屑产生，大幅降低了因泄露带来的不良率，但泄露现象仍难以根除。主要原因为上帽高度25mm，焊头和上帽上端面距离导能线为25mm，属于远端焊接，加上上帽壁厚不足（只有0.8mm），严重影响超声波振动能量传递到接合面，如果增加压力或时间，又会因为距离接合面比较近的视窗结合部松动从而导致泄露。无论是远端焊接还是视窗部的位置调整，都势必要更改产品外观，这在医疗器械产品的设计中难度很大。在日后的设计中，应充分考虑超声波焊接的特点，尽量避免远端焊接。
　　参考文献：
　　[1]车敏.连接器产品的超声波塑料焊接结构设计[J].机电产品开发与创新，2018，31（1）：58.
　　[2]刘川.超声波塑料焊接机理和工艺试验研究[D].大连：大连理工大学，2003：56.
　　[3]王家龙.超声波塑料焊接[J].包装世界，2019（04）：124.
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