所有邊角與邊緣必須導圓角,銳利邊緣會使超音波能量蓄積而造成破裂或是不必要的熔接。
延伸本體以外的部份,例如邊肋、托架、飾釘,易在焊接過程中因振動或過熱而斷裂。另外其他內置物如彈簧或是電線,也是影響焊接效果的原因。概括的說,圓滑邊緣與邊角、振幅小、焊接時間短可達成最佳焊接效果,如果需要,可以使用矽膠來緩衝超音波對電子零件、彈簧等的震盪。
理想的狀況,兩殼件必須互相吻合,且在焊接過程中可固定不滑動。理想的吻合狀況是兩者可借助外力密合但不致於過緊,理想的間隙是0.05~0.1mm;依焊物大小而定,兩件焊物間的高度差最小是1.0mm。
建議間隙 a=0.025~0.05mm; b= min. 1.0mm
接合處的設計會影響能量傳遞的均一度,一般來說,能量傳遞路徑上有彎曲、斜面或是開孔,都會使傳遞至焊接面的超音波強度減少。
圖中X區域易出現焊接不足或無焊接的狀況
最佳狀況是接合面均在同一高度而且與焊頭表面平行,若非如此,因為接合面至焊頭表面的距離不一,易有焊接不均一的現象發生。
圖中L1與L2距離不等,且a面與焊頭面不平行,傳到兩殼件接觸面的能量損失
最佳狀況是與殼件與焊頭接觸面大又平整,焊頭表面是可以有部分輪廓的。 如果焊頭表面小於接合面,雖仍能達成焊接,但部分能量也許無法傳遞至接合面,需要增加壓力才達成好的焊接效果,但是增加下壓力可能會使焊件表面產生壓痕。 拋光表面或是不平整表面尤其容易產生焊頭壓痕,加入PE模可以減少壓痕產生。
與焊頭接觸的殼件應該與焊頭接觸面一樣大,例如圖中a必須盡可能比s寬
理想的設計是盡可能的縮短接合面至焊頭表面的距離,近距焊接一般指此距離小於6mm,可能發生的問題比遠距焊接少。
指焊頭表面至接合面的距離大於6mm,由上殼件殼壁傳遞超音波能量至接合面,使用硬質的熱塑性塑膠可達極佳效果,能忠實的傳遞能量至接合面。硬質半熱塑性塑膠會吸收部分能量,使遠距焊接變得困難。而軟質半熱塑性塑膠會大量吸收超音波能量,如果距離過遠,焊接變得非常困難而且容易產生假熔現象。
近距焊接指L大於6mm
底模用於固定殼件,使殼件與焊頭對正,殼件與底模必須吻合,不可過鬆或過緊,夾持過緊會致使能量進一步傳遞至底模,損失能量而使焊接變得困難。如果殼件為薄殼而且在焊接過程中無法支撐焊頭下壓力,底模也可以當做暫時性的支撐壁。
焊接線為V型突出,在接合面的其一面上,超音波振盪摩擦融化後會變成一條線,v型尖端可集中超音波能量,ED融化後變成流體流入上下殼件間間隙並填滿,焊頭下壓可驅使融化塑膠擴散佈滿整個接合面。然後停止超音波能量,焊頭仍然保持在下,維持一短暫時間後等待塑膠冷卻固化,完成焊接過程。 ED可以在任一殼件上,以異質塑膠互熔來說,通常選擇熔化、熔融點較高的殼件加入ED焊線,或是選擇剛性較低的殼件。
銳角接合對半熱塑性塑膠來說相當適合,可以達成密封焊接,銳角接合有一斜面及一個小接觸面,小接觸面因震盪能量摩擦可快速融化。上下殼件滑向彼此並形成垂直的接合處。兩個熔融表面滑向彼此可避免氣泡產生並且阻擋空氣接觸。同材質塑膠可以完全焊接。一般常見焊接步驟即可控制。因為只有些微空氣,固化時間較長但結晶與假熔現象不易發生。銳角接合的成功率受上下殼件交疊範圍影響。下殼壁厚必須足夠,得以承受焊接過程中的下壓力,否則易因為下壓而使下件變形凸出。
點焊是銳角接合焊接的一個特例,這是一種不要求密封焊接的經濟方法,塑膠飾釘融化流入另一件的空孔,亦可以利用飾釘來定位對準上下殼件。
這些加工方法可說是超音波焊接的延伸應用,利用形塑塑膠的方式,達到塑膠與其他材質(如金屬、玻璃或異質塑膠)結合的可能性。不同於焊接,成形焊接只有一個塑膠件被融化塑型,有效地利用焊頭表面的及塑件表面的熱能。
超音波成形的最大優點,即是成形過程在塑膠融化狀態下進行,對已塑形件僅有極小的影響。已結合件因外力而分離的狀況極少存在,可符合產品嚴謹要求,耐久性亦佳。
細小金屬因超音波震盪而容易黏附在焊頭上,不能保證完全結合,必須輔助夾具,而夾具上必須結合使用吸音材質以避免夾具外露部分因為震盪
如果金屬件需由數個鉚釘固定,所有鉚釘必須一次固定,如果逐一鉚接固定,已完成的部份可能因為超音波能量斷開。
焊頭不可接觸欲附加件,融化的塑膠必須在固化時間內因下壓力凝固,此步驟可依照塑膠射出的下壓力與冷卻時間方法,如果焊頭壓在上件,其鉚接頭的壓力減少,結果導致異質結構無法確實結合。
如果要鉚接金屬件,此問題可以藉由接觸短路裝置解決,安裝合適的接收裝置,即可在超音波焊頭接觸金屬件時,因電流改變而切斷超音波能量,而且能以此方法控制組件公差。
常見鉚接點形式可參考機械製造,固定鉚接梢應該為環狀,有導圓角或是導角,被鉚接件必須有下凹,被鉚接件孔洞上緣也必須有下凹(沉頭孔設計),如果價格與製造成本允許,應該加導圓角或是導角,此設計可抑制缺口效應與應力集中,使鉚釘不易脆裂。
部分半熱塑性塑膠及較大的鉚釘需要其他步驟來輔助融化,利用菱形焊頭可以成功達成任務,此種形式一般常用於固定電子工程的金屬件,不強調接合強度。
直徑大於6mm的鉚釘,推薦使用如H圖的中空尖頂,除減少融化塑膠累積,亦可隱藏而射出注料孔,需要被融化的塑膠量減少,可節省能量需求及縮短焊接時間。
以上僅提供概略參考,與個案實際應用狀況之間仍有差距。
夾焊技術沿自金屬加工,重要特徵是利用超音波能量融化塑膠,於流體相階段塑型。
典型應用方法如右圖,設計者可相對自由的設計flange接合處形狀。
因為兩者材質的熱擴張性不同,即使接合處準確度極高,仍無法達到氣密。如果需要氣密,必須加入熔封件。另一圖表示為達氣密,在接合處加入O環。
當軟材質焊接時,通常會有無法預期的溢料產生,夾焊flanging可作為傳統焊接的替代方案。
應用上述方法製作的加工件容易斷裂,曾有人試圖增加植入金屬周圍塑膠的強度,但卻影響塑膠射出冷卻時間。
具有高應力/應變比的塑膠,例如PS,容易因外力折斷,其他熱塑性塑膠亦然。因為氣候或化學物質脆裂,無法長期使用。使用超音波埋植的種種原因中,不可忽略的是節省成本,基於上述原因,有經驗的設計者應該放棄應用在塑膠射出過程中加入金屬件的製程,而使用超音波埋植。
埋植步驟
振幅以微米(μm, micrometer)為測量單位,就超音波焊接而言,一般常討論的是峰值Peak,標準的振幅值範圍在 10~60 微米(μm)之間。
強榮超音波機械有限公司
24262 台灣新北市新莊區新樹路288-21號
TEL: +886-2-2203-6999 FAX: +886-2-2206-5588 Email: strong.usonic@msa.hinet.net