超聲波塑膠焊接機熔接産品時常會遇到一些不良問題,其影響生産的進程及産品質量,塑膠制品表面損壞！

塑膠産品産生溢料或毛邊！

塑膠産品焊接後拉力達不到标準！

是什麼原因會導緻超聲焊接過程中各種不良的發生呢？

小編帶大家探讨一下怎樣獲得高品質的塑料超聲波焊接？

超聲波焊接的影響因素----魚骨圖：

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超聲焊接對原材料的要求

說到超聲波焊接不得不先提一下它對各種樹脂的要求，其最主要的因素包括聚合物結構、熔化溫度、柔韌性（硬度）、化學結構。

▶ 聚合物結構：

将單體結合在一起的過程稱為“聚合”，聚合物基本可分為兩大類：熱塑性和熱固性。

• 熱塑性材料加熱成型後還可以重新再次軟化和成型，基所經曆的隻是狀态的變化而已-這種特性使決定了熱塑性材料超聲波壓合的适應性。按分子結構可分為：非結晶聚合物、半結晶型聚合物.
• ⊙ 非結晶聚合物分子排列無序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動的溫度（Tg玻璃化溫度）。這類樹脂通常能有效傳輸超聲振動并在相當廣泛的壓力/振幅範圍内實現良好的焊接。
• ⊙ 半結晶型聚合物分子排列有序，有明顯的熔點（Tm熔化溫度）和再度凝固點。固态的結晶型聚合物是富有彈性的，能吸收部分高頻機械振動。所以此類聚合物是不易于超聲波振動能量傳至壓合面，難焊接。

• 熱固性材料是通過不可逆反的化學反應生成的，再次加熱或加壓均不能使已成型的熱固性産品軟化，所以傳統上一直認為熱固性材料是不适合使用超音波的。

▶ 材料相融性

▶ 影響焊接效果的其他因素

• 有吸水特性的材料,例如：聚碳酸脂、聚砜、尼龍。
• 塑料加入混合物料後因應注意混合物的比例
• 有問題的脫模劑 ： 矽脂類、 特富龍、 內部潤滑劑、色粉、再生料、防火劑等。

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超聲設備與夾具設計對焊接效果的影響

▶ 超聲機主要部件：換能器、調幅器、焊頭.

調幅器和焊頭的主要材質為：钛合金 或鋁合金。

▶ 根據産品大小選擇适當頻率的焊接機，下表為不同頻率焊接機能匹配的最大焊頭尺寸。

▶ 焊接頭表面振幅設計

焊接頭表面振幅 =

換能器表面振幅 x 調幅器增益 x 焊接頭增益

塑料加工中所用的超聲波，現有的幾種 工作頻率有15KHZ，20KHZ，30KHZ， 40KHZ。下表為塑料在不同頻率的焊接機中的振幅需求，焊頭設計的表面振幅需在焊接基材的振幅範圍内。

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塑料件的結構

為了獲得完美的産品外觀、牢固可靠的焊點，必須遵循三個主要設計方向：

1. 最初接觸的兩個表面必須小，以便将所需能量集中，并盡量減少所需要的總能量（即焊接時間）來完成熔接。
2. 找到适合的固定和對齊的方法，如塑料件的接插孔、台階或企口之類。
3. 焊頭需直接接觸并覆蓋全部焊接區域，以滿足焊接點所需的能量傳導。

▶ 整體塑料件的結構

• 塑料件必須有一定的剛性及足夠的壁厚，太薄的壁厚有一定的危險性，超聲波焊接時是需要加壓的，一般氣壓為2-6kgf/cm2 。所以塑料件必須保證在加壓情況下基本不變形。
• 如遇罐狀或箱形塑料等，在設計時可以在罐狀頂部加厚塑料件 、增加加強筋、焊頭中間位置避空等方式防止接觸焊頭的表面燒傷、穿孔的情況。

• 注塑件内部或外部表面附帶的突出或細小件會因超聲波振動産生影響而斷裂或脫落，需通過在附屬物與主體相交的地方加一個大的R角或加加強筋或增加附屬物的厚度與直徑等方式盡可能減小或消除這種問題。

• 為防止超聲波傳遞過程中會産生幹擾和衰減，焊接區上方與焊頭接觸點，塑料件避免設計孔和間隙。

• 近距離焊接指被焊接位距離焊頭接觸位在6mm以内，遠距離焊接則大于6mm，超聲波焊接中的能量在塑料件傳遞時會被衰減地傳遞。衰減在低硬底塑料裡也較厲害，因此，設計時要特别注意要讓足夠的能量傳到加工區域。
• 遠距離焊接，對硬膠（如PS，ABS，AS，PMMA）等比較适合，一些半晶體塑料（如POM，PETP，PBTB，PA）通過合适的形狀設計也可用于遠距離焊接。

• 塑料件焊頭接觸面的設計
• 注塑件可以設計成任何形狀，但是超聲波焊頭并不能随意制作。形狀、長短均可能影響焊頭頻率、振幅等參數。焊頭的設計需要有一個基準面，即按照其工作頻率決定的基準頻率面。基準頻率面一般占到焊頭表面的70%以上的面積，所以，注塑件表面的突超等形狀最好小于整個塑料面的30%。塑料件焊頭接觸面至少大于熔接面，且盡量對正焊接位，過小的焊頭接觸面，會引起較大損傷和變形，以及不理想的熔接效果。

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焊接線設計

焊接線是超聲波直接作用熔化的部分，其基本的兩種設計方式： 能量導向 、剪切設計 。

▶ 能量導向

能量導向是一種典型的在将被子焊接的一個面注塑出突超三角形柱，能量導向的基本功能是：集中能量，使其快速軟化和熔化接觸面。能量導向允許快速焊接，同時獲得最大的力度，在這種導向中，其材料大部分流向接觸面，能量導向是非晶态材料中最常用的方法。

• 能量導向柱的設計方式及尺寸如下圖：
• 一般在超音波熔接作業中，根據經驗值最佳的超音波導熔線高度0.3~0.4mm 如：此型Δ，尖角約呈60°或90°；
• 在一般水、氣密的要求，導熔線高度應在 0.5~0.8mm 之範圍（視産品肉厚而定），如低于0.5mm以下，要達到水氣密的功能，除非定位設定要非常标準，而且肉厚有 5 mm 以上，否則效果不佳。

• 超聲焊接上下殼對位方式的設計
• 上下塑料件在焊接過程中都要保證對位準确，限位高度一般不低于1mm，上下塑料平行檢動位必須很小，一般小于0.05mm。
• 定位方式一般為：插銷定位、台階定位。

▶ 剪切式設計

在半晶體塑料（如尼龍、乙縮醛、聚丙烯、聚乙烯和熱塑聚脂）的熔接中一般采用剪切連接的設計，首先是熔化小的和最初觸的區域來完成焊接，然後當零件嵌入到下起時，繼續沿着其垂直壁，用受控的接觸面來融化。如下圖所示，這樣可能性獲得強勁結構或很好的密封效果，因為界面的熔化區域不會讓周圍的空氣進來。由于此原因，剪切連接尤其對半晶體樹脂非常有用。

剪切連接的熔接深度是可以調節的，深度不同所獲得的強度不同，熔接深度一般建議為0.8-1.5mm，當塑件壁厚及較厚及強度要求高時，熔接深度建議為1.25X壁厚。

剪切連接要求一個塑料壁面有足夠強度能支持及防止焊接中的偏差，有需要時，底模的支撐高于焊接位，提供輔助的支撐.

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超聲波焊接制程控制

在超音波熔接作業中，産品表面産生傷痕、結合處斷裂或有裂痕、産生溢料或毛邊、熔接後尺寸無法控制于公差内等不良時，首先要檢查設備參數控制，并通過合理的實驗來優化執行參數（預壓力、下降速度、延遲時間、熔接時間、引用介質覆蓋（如ＰＥ袋）、模治具表面處理（硬化或鍍鉻）、機台段數降低或減少上模擴大比等），以獲得良好的品質。

超聲波在塑料件中傳播，塑料件或多或少對超聲波能量有吸收和衰減，從而對超聲加工效果産生一定的影響，塑料一般有非晶體材料之分，按硬度有硬膠和軟膠之分，還有模數的區分，通俗地來說，硬度高，低熔點的塑料超聲加工性能優于硬度低、高熔點的塑料。因此，這就牽涉到超聲波加工距離的遠近問題，

鳴謝單位：電子制造得其道

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銘揚超聲波讓生産更省心

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