超聲波焊接在防水產品中的應用及設計優化

趙博

摘? 要：簡述了超聲波焊接的原理及影響焊接質量的因素。以一款氣密性醫療器械產品為例，說明了焊接面導能筋形式對產品的影響及設計優化方案。

關鍵詞：超聲波塑料焊接;焊接質量;導能筋

中圖分類號：TG457? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 超聲波焊接原理及影響因素

超聲波焊接技術從二十世紀問世到現在，因其經濟、環保、應用靈活的特點而在汽車、電子、電器、醫療器械制造等領域中得到廣泛應用。

超聲波塑料焊接指的是利用超聲波振動將熱塑性塑料產品熔接在一起的過程。高頻振動的兩個塑料件接觸時，焊接面分子間的摩擦使結合處溫度急劇上升，使塑料熔化。當振動停止后，塑料熔體再結晶形成均勻的焊接。[1]

影響焊接質量的因素有很多，如焊接材料、焊接工藝、導能筋形式等。（圖1）

要想獲得良好的焊接質量，應首先明確：（1）被焊接物的材質，（2）被焊接物的尺寸，（3）被焊接物的用途（載荷、密封、外觀美觀等要求）。

本文通過超聲波塑料焊接在一款有氣密性要求的家電產品中的應用，重點說明特定焊接面連接形式的設計對焊接質量的影響及優化。

2 焊接面連接形式

焊接面連接形式按形狀主要分為無導能線的平面型、帶導能線型以及剪切型。

2.1 平面型

無導能線的平面型因為需要更長的超聲、保壓時間及壓力，在實際的產品中應用較少。實際應用中更多的采用帶導能線型及剪切型。

2.2 帶導能線型

導能線根據先端的角度，主要有120°、90°、60°、45°等（圖2），盡量使導能線的先端銳利。在同等條件下，90°的導能線能獲得更大的結合強度。[2]

（1）基本型

基本型的設計推薦形狀參見圖2。適用于對外觀要求不高的產品。導能線設置在上、下零件對焊接強度并沒有特別明顯的影響，但當兩個強度不同塑料件焊接，焊接筋一般設置在熔點高和強度低的一面。[3]具體的尺寸設計根據設備及產品實際情況會有差異，可以參考超聲波焊接機廠家提供的信息。

（2）階梯型

階梯型的設計推薦形狀參見圖3。因為有豎直面導向及格擋，該設計在對產品外觀有要求或需要有過熔的情況下比較常見。

（3）凹槽型

凹槽型的設計推薦形狀參見圖4。同（2）階梯型，因為內外都有格擋，因此這種形狀適用于對外觀要求較高以及對焊接碎屑掉落到產品內部有要求的產品。同時，該形狀可提供較強的密封，對密封有一般要求的產品可以考慮使用。但因為尺寸限制，焊接面及導能線的寬度比較窄，會影響焊接強度，另外對產品模具精度要求較高。

（4）斜截面型

斜截面設計推薦形狀參見圖5。對于薄壁產品（壁厚小于1.5mm），導能線寬度太小，會導致焊接強度降低，此種情況可以考慮采用斜截面型結構，先端角度建議45°。為了盡量增加焊接強度，焊接的接合面應當追加有紋理的表面。

2.3 剪切型

在某些情況下，采用高彈性模量的結晶類塑料時（比如PP、PA等），材料較不易吸收超聲波能量，熔化狀態不易控制，普通的導能線設計可能無法產生預期效果。在產品幾何形狀允許的情況下，建議采用剪切型設計。

采用剪切型設計，產品先端首先熔化，然后隨著焊頭下降，通過過盈干涉的垂直壁的繼續熔化完成焊接過程。因為整個過程熔化區域接觸不到空氣，因此可以獲得良好的結合強度及密封效果。但這種結構需要焊頭施加更大的超聲壓力，如果產品比較精密或結構強度不足時需要加以注意。

3 防水產品應用及設計優化

3.1 產品特點

圖7為一筆式電子體溫計結構示意圖，該產品對超聲波焊接相關設計要求及參數參見表1、2。

通過超聲波焊接將上帽1和下殼2密封，使內部形成一個裝載電子測溫、顯示功能模塊的密封空腔。需注意的是靠近超聲波焊接接合面5的下方，是通過插入成型嵌入的透明PMMA視窗板，通過視窗板用戶可以看到內部空間里對應位置的液晶顯示區域，用以讀取體溫值。

圖7的設計方案，生產線反映有大量的產品出現焊接后不密閉的情況，體溫計視窗上可以看到長度0.4～1.7mm不等的碎屑附著在產品內部無法去除（圖8a、b）。這些都導致產品生產后只能廢棄，造成大量浪費。

分析其原因，主要為導能線結構不合理，尖端角度為70°不夠尖銳，影響熔化效率。下殼接合面不是平面而是斜面，在焊頭壓上帽向下移動過程中，使上帽先端向斜下方摩擦式滑動，難以讓塑料高效熔化結合，這一點從液晶上觀察到的碎屑情況可以得到證實。另外焊接面并沒有出現黑色過熔痕跡（圖8c），說明理論上焊接面處還可以加大焊接功率。為了增強結合強度，曾通過調整超聲、保壓時間以及超聲壓力等參數以增加焊接功率，效果均不理想。因為增加保壓時間或壓力，甚至導致下殼的PMMA視窗板和下殼結合處裂縫，產生次生不良問題。

3.2 設計優化

根據以上分析，對產品形狀進行了針對性變更（圖9）。改變上帽導能線形狀，因為產品尺寸限制，壁厚只有2mm，難以采用凹槽型導能線，因此根據實際情況調整尖角角度70°→50°，同時取消下殼的斜面，變更為平面。

4 結束語

經過一系列設計改善變更，基本杜絕了碎屑產生，大幅降低了因泄露帶來的不良率，但泄露現象仍難以根除。主要原因為上帽高度25mm，焊頭和上帽上端面距離導能線為25mm，屬于遠端焊接，加上上帽壁厚不足（只有0.8mm），嚴重影響超聲波振動能量傳遞到接合面，如果增加壓力或時間，又會因為距離接合面比較近的視窗結合部松動從而導致泄露。無論是遠端焊接還是視窗部的位置調整，都勢必要更改產品外觀，這在醫療器械產品的設計中難度很大。在日后的設計中，應充分考慮超聲波焊接的特點，盡量避免遠端焊接。

參考文獻：

[1]車敏.連接器產品的超聲波塑料焊接結構設計[J].機電產品開發與創新，2018，31（1）：58.

[2]劉川.超聲波塑料焊接機理和工藝試驗研究[D].大連：大連理工大學，2003：56.

[3]王家龍.超聲波塑料焊接[J].包裝世界，2019（04）：124.