关于作者： 钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。 2019年12月即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。 关注头条号或微信号“降本设计”，获取更多原创产品设计知识和理念！ “降本设计”专注于面向制造和装配的产品设计(DFMA)、面向成本的产品设计(DFC)等产品设计知识和理念分享，帮助工程师成长和提高技能，帮助企业降低产品成本。如需交流或加入微信讨论群，请加微信3945996。
在干货 | 塑胶件紧固工艺之四：超声波焊接（上）中介绍了：
- 超声波的三大特性；
- 超声波焊接的原理、优点和缺陷性；
- 超声波焊接的具体步骤、微观过程和重要参数；
- 塑料的超声波焊接性能和兼容性；
- 影响塑胶超声波焊接性能的参数；
本篇文章将介绍塑胶件的超声波焊接设计指南：即如何设计塑胶件，以满足超声波焊接的工艺要求，从而保证焊接质量、提高焊接效率和降低焊接成本。
在设计超声波焊接结构之前，下面这些因素必须充分考虑清楚：
- 使用塑料的种类。塑料不同，对超声波焊接结构要求也不同。例如，相对于无定形塑料，半结晶塑料要求导熔线角度越尖越好；另外，半结晶塑料尽量避免远程焊接，否则焊接质量不容易得到保证。
- 产品尺寸和内部结构。超声波焊接要求产品尺寸不能过大，产品内部结构必须有利于超声波焊接能量从焊头传输到焊接界面，同时产品的内部结构必须足够强壮以抵抗超声波焊接时的巨大能量。
- 产品受力。产品受力的大小、类型和方向决定了导熔线设计和布局。
- 水气密的要求；产品如果有水气密的要求，则导熔线需要达到密封的要求。
- 外观的要求。如果产品的外观要求较高，不允许溢胶的产生，则需要合理的设计超声波焊接结构以避免溢胶。
- 是否还有其它特殊要求。
1.1 导熔线的概念
超声波焊接时，两个塑胶件的初始接触面积必须足够小，以集中能量，同时减少塑料熔化和熔合所需的总体能量。导熔线（或称导熔线柱、超声线）即是这样的一种结构，是在一个塑胶件焊接界面上凸起的三角形柱，顶端越尖越好，基本作用是将振动能量聚集在三角形的尖端，其后累积的热量在整个焊接界面形成均匀的塑料熔流。
1.2 导熔线的好处包括：
- 增加焊接的强度，减少虚焊。导熔线利于两个塑胶件的熔合，提高焊接的强度。同时，使用导熔线的超声波焊接如果发生虚焊，则两个塑胶件之间会出现断差，很容易发现虚焊的缺陷、继而避免虚焊的产生；而没有导熔线的超声波焊接如果发生了虚焊，则很难通过外观进行辨别。
- 减少溢料，提高外观。导熔线使得焊头与塑胶件的接触时间缩短，因此较少溢胶。另外，由于焊接区域变小避免材料堆积而减少溢胶。通过合理的导熔线及焊接结构设计，超声波焊接可以具有高品质的外观。
- 减少振幅。导熔线使得超声波焊接在满足焊接质量的前提下，需要较小的焊接能量，继而可以减小焊接振幅。
- 缩短焊接时间。导熔线减少塑料熔化和熔合所需的总体能量，继而缩短焊接时间，下图显示了无导熔线的焊接时间与有导熔线的焊接时间对比，使用导熔线的焊接塑料更早熔化和熔合成一体。同时，焊接时间的缩短有助于避免塑胶件长时间焊接而引起的过焊问题。
（无导熔线与有导熔线的焊接时间对比）
1.3 导熔线的基本设计
正确的导熔线设计是提高超声波焊接强度和质量，缩短生产周期的关键。导熔线必须具备的条件是最初的接触面积不可太大。相对于无定形塑料，半结晶塑料要求导熔线的角度更尖，这是因为半结晶塑料本身并不太利于超声波焊接能量的传导；一般来说，无定型塑料的导熔线顶端角度为90°C，半结晶塑料的导熔线顶端角度为60°C。
导熔线可设计在任意一个焊接零件上，推荐把导熔线设计在与焊头接触的塑胶件上。
错误的导熔线设计不利于两个塑胶件之间的超声波焊接。
（错误的导熔线设计）
十字交叉型导熔线
十字交叉型导熔线是指在两个焊接塑胶件上均设置互相垂直交叉的导熔线，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成一体。十字交叉型焊接能够提高超声波焊接强度，缩短焊接时间和减少焊接功率，但容易产生断差和溢胶。两个塑胶件上的导熔线尺寸均应当为常规尺寸的60%，导熔线顶端角度为60°。
（十字交叉型导熔线）
当产品有水密和气密的要求时，可将与焊头接触的导熔线连续排列，呈锯齿形状，导熔线之间没有间隙。这种设计的缺点是超声波焊接为熔合更多塑料，很有可能造成溢料，影响产品表面外观质量，适用于沟槽型或阶梯型超声波焊接结构中以隐藏溢料。
（十字交叉锯齿形型导熔线）
导熔线垂直于壁
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。这种设计适用于非密封要求的产品中。
（导熔线垂直于壁）
间断的导熔线
导熔线呈不连续、间断，可以用于减小焊接能量的设计，这种设计会降低焊接强度，适用于非密封要求的产品中。
（间端的导熔线）
凿子型导熔线
当塑胶件尺寸小于1.5mm时，常规的导熔线可能会较小，造成焊接强度不够，可使用凿子型导熔线。凿子型导熔线的高度为0.38~0.50mm，角度为45°；凿子型导熔线位于台阶的内侧，可确保焊接时不会脱离狭小的焊接界面，另外还可以使得塑料熔料远离产品开口区域。
（凿子型导熔线）
基本型
超声波焊接结构的基本型，是在焊接平面上设计一条贯穿整个焊接平面的导熔线。基本型的超声波焊接结构适用于大多数的场合，其缺点是在塑胶件的熔合面有可能会产生溢胶，影响产品外观质量。
阶梯型
阶梯型焊接如图所示。其优点是适当增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13mm~0.51mm）可将焊接熔料可隐藏于间隙中，避免溢胶的产生，具有较高的外观表面质量。
阶梯型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于2mm。
沟槽型
沟槽型焊接采用间距式移位焊接，设计时凹凸面保持一定的间隙和斜度，适用于要求完全密封的焊接。同时，沟槽式焊接界面提供自定位功能。适当的增加两个塑胶件非焊接界面的间隙（0.13mm~0.51mm）可以防止溢料的产生。
沟槽型焊接一般要求零件的基本壁厚不小于3mm。
剪切型
剪切型对于半结晶塑料，普通结构的超声波焊接例如基本型、阶梯型等很难保证足够的焊接强度。这是因为半结晶塑料从固体转化为熔化状态是在很短的一个温度变化区间完成的，转化的时间极快，反之亦然。因此，在熔化塑料与对应零件的塑料熔合在一起之前，有可能有部分塑料已经固化，造成焊接强度低。
针对半结晶塑料，建议使用剪切型焊接结构设计。剪切型焊接首先在较小的初始接触区域进行熔合，然后在一段干涉区域继续熔合。由于熔合区域没有与周围的空气接触，剪切型焊接可以保证较高的焊接强度和提高密封性能。
剪切型焊接的强度决定于熔合区域的垂直高度，即焊接深度。一般要求焊接深度为零件焊接处壁厚的1.25倍，两个塑胶件干涉量以及尺寸精度要求如表1所示。
表1剪切型焊接干涉量设计
为了确保剪切型焊接的质量，需要注意到以下几点：
- 侧壁的强度需要足够高以及获得足够的支撑，以避免因为焊接过程产生的力而造成侧壁变形；而底部焊接零件也必须通过焊接治具进行支撑，治具需要紧靠在零件的四周。
- 上部塑胶件的强度必须足够大，以避免在焊接过程中产生变形。同样的道理，底部塑胶件的壁厚应当大于2mm以避免变形。
- 上部塑胶件和底部塑胶件在干涉区域的配合面应当是平面，并互相垂直。
- 焊接塑胶件需要具有较好的制造精度，推荐使用下一节提供的定位柱与定位孔等定位方法来辅助两个塑胶件的准确对齐。否则，焊接干涉区域的尺寸由于较小而得不到保证，继而无法确保焊接的强度。
- 剪切型焊接可以和沟槽型焊接等结构配合使用。
特殊形状
为了使较难熔接的塑胶件或外型不规则之塑胶件达到水气密熔接，可能需要使用弹性油封与旋绕道以阻隔熔胶之流动。如图显示一种配合O型密封圈的焊接界面设计。
3.塑胶件的超声波焊接结构设指南
3.1 超声波焊接零件导向和预定位
在两个塑胶件焊接界面开始接触之前，在零件之间设计定位特征能够保证两个塑胶件的准确定位，这有利于提高超声波焊接的质量和提高焊接的尺寸精度，定位特征包括定位柱、孔、凸台和边等，如图3-122所示。当然也可以设计辅助夹具来增加定位，作者不推荐这种方法，因为从面向制造和装配的产品设计理论来看，辅助夹具会带来产品成本的增加，不是一个最好的方法。
3.2 避免尖角
由于焊接零件上的尖角在注塑过程中产生应力集中，在超声波机械振动下，很容易发生折断。所以，对于塑胶件壁与壁的任意连接处呈尖角的地方，都应当设计一定的圆角（至少大于半径0.5mm）。
3. 3 避免超声波零部件结构较弱而发生断裂
塑胶件内部或外部表面附带的突出或细小特征会因超声波振动发生断裂或脱落，通过以下措施可能减小或消除这种问题：
- 在细小特征与主体相交的地方加一个大的R角。
- 增加细小特征的厚度或直径。
3.4 使用近场焊接
近场焊接是指超声波焊接界面距离焊头接触面的距离在6.35mm以内，大于6.35mm的称为远场焊接。
无定型塑料中，分子的无序排列使得振动能量容易在其间传导并且衰减很，在低硬度塑料中也会发生振动能量的衰减现象。与之相反，半结晶塑料中的晶体结构阻碍了振动的传导，振动衰减很大，使得远场焊接变得困难。因此，在产品设计时，应考虑到是否有足够的能量传达到焊接界面；对于半结晶塑料，尽量避免使用远场焊接。
3.5 焊头位置与焊头接触面积
焊头位置和焊头与塑胶件接触是成功焊接的一个关键因素。一般来说，焊头应该足够大使得其直线投影可以覆盖整个焊接区域，这一方面可以帮助将超声波振动能量传导到焊接区域，另一方面避免在表面留下伤痕。
3.6 焊接与焊头面平行，且为单一平面
塑胶件的焊接界面必须平行于焊头面，而且焊接面和焊头面均要分别要保持在单一平面，从而使得能量均匀传导，有利于取得一致的焊接效果，并减少溢胶可能性，错误的焊接面和焊头面设计如图所示。
3.7 超声波传导区域避免孔或缺口
与焊头接触的塑胶件有孔或其它缺口，则在超声波传导过程中会产生干扰和衰减。根据塑料类型（尤其是半晶体材料）和孔的大小，在开口的下端会直接出现少量焊接或完全熔不到的情况，因此要尽量避免在超声波传导区域出现孔或缺口。
3.8 避免薄而弯曲的结构
超声波的传播是直线传播，因此在超声波的传播路径中，应当避免薄而弯曲的结构，否则超声波振动很难传导到焊接面，特别对于半晶体材料。
3.9 薄膜效应
薄膜效应是一种能量聚集效应造成塑胶件出现烧穿现象，在平的圆形的、壁厚较薄的位置最为常见，通过采取下列一个或结合数个措施可以克服这种现象：
1) 增加壁厚，如图所示；
2) 减少熔接时间；
3) 改变振幅；
4) 采用振幅剖析；
5) 在焊头上设计节点活塞；
6) 添加内部加强筋；
7) 评估其它频率。
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