超声波焊接：零部件断裂和损坏缺陷的预防和解决_超声波_塑胶

▲超声波塑料焊接及其运用

但是，超声波塑料焊接时，塑胶件内部的筋和支柱等常常发生断裂、或者塑胶件上固定的内部电子元件、晶体和芯片元件等被震坏，这是一个非常普遍的征象，这也是降本设计微信群里大家常常讯问的问题之一。

▲筋断裂

▲可能会破坏产品中的电子元件

这些筋、支柱以及电子元件、晶体和芯片元件等并没有与超声波焊头或夹具打仗，为什么会发生断裂？

这让很多初次打仗超声波焊接的工程师百思不得其解，乃至会大略粗暴的判断产品不适宜超声波焊接，须要重新选择更得当的紧固工艺。

我在初次利用超声波焊接时也碰到塑胶件筋大量断裂的问题，幸运的是经由一番摸索，成功办理了断裂问题。

本文将结合我的履历以及对付超声波焊接的认知，供应一个较为系统的超声波焊接断裂和破坏的办理思路。

要搞清楚为什么会断裂和破坏，则必须理解超声波焊接的基本事理。

在本"大众年夜众号之前的文章中，已经详细理解释了超声波焊接的事理。

超声波焊接实质上是高频低幅振动，振幅一样平常在30um~120um，即0.03mm~0.12mm，很小，肉眼基本上看出振动。

但是，超声波焊接的振动频率很高，常见的有15、20、30或40千赫兹，即每秒钟振动1万5千次、2万次、3万次和4万次。

上万次的振动，这是一个什么样的观点！
下图中的振动，1秒钟仅仅只有一两次的振动。

▲这是超超超超低频高幅振动

这是一把振动频率约4万次的超声波刀，可以轻轻松松切割坚硬的塑料和电路板。

▲超声波刀：高频低幅振动

不敢想象，这假如碰到手了会怎么样？

以是，超声波焊接的振动能量很大，同时振动能量传输到塑胶件薄弱的位置，例如筋和支柱、以及塑胶件上固定的电子元件、晶体和芯片元件等，从而造成断裂和破坏。

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解决议确定裂和破坏的总体方向

当明白超声波焊接时断裂和破坏的根本缘故原由之后，我们就可以据此入手，来办理问题。

办理思路从以下三个大方向入手：

1）减小超声波焊接过程中的能量

2）增加塑胶件强度

3）易碎元件阔别焊接部位

从设计端以及生产端解决议确定裂和破坏问题的各种方案均是从这三个大方向入手来进行的。

从产品设计入手，预防超声波焊接时断裂和破坏毛病，才是最精确的办理办法。

▲此乃正道

从产品设计入手，预防断裂和破坏的各种方法包括：

1）变动焊接界面设计，从基本型改为改为剪切型

在相同的超声波设备、夹具和工艺参数设置下，剪切型的界面设计更随意马虎熔接，焊接强度更高。

换句话说，剪切型的界面设计会减小超声波焊接时的能量哀求，从而可以有效避免断裂和破坏的发生。

在我之前碰着的超声波焊接断裂问题案例中，无数次考试测验通过调度工艺参数、修正夹具以及调度振幅，都没能办理问题。

末了通过把界面改为剪切型，轻轻松松就办理问题。

顺便说一下，改为剪切型后，焊接强度也提高了很多。

2）精确的超声线设计

精确的超声线或导熔线（Energy Director）设计有利于减小焊接时的能量哀求。

▲三角形超声线--精确

▲圆形超声线--缺点

▲精确的超声线设计

▲缺点的超声线设计

3）材料选择，选择更随意马虎焊接的无定形塑料

相对付半结晶塑料，无定形塑料更随意马虎进行超声波焊接，须要的焊接能量更小，更不随意马虎发生断裂和破坏的毛病。

而如果由于其它缘故原由利用了半结晶塑料，产品中又包括了易损元件，则应该谨慎选择超声波焊接的紧固办法。

▲无定形塑料和半结晶塑料的熔化过程

4）塑胶件薄弱处加厚以及增加圆角

塑胶件薄弱处如果壁厚过薄，则强度低；而尖角的存在随意马虎产生内应力，须要把尖角改为圆角，避免在超声波焊接时断裂。

5）避免塑胶件内应力

塑胶件在注塑成型时，随意马虎产生内应力；而内应力处，在超声波焊接时非常随意马虎断裂。

▲西瓜的内应力

因此，塑胶件应该避免产生内应力。

6）利用近程焊接

近程焊接，缩短了焊头与焊接面的间隔，可以减小能量丢失，从而减小超声波焊接的能量哀求。

7）增加塑胶件焊接面与焊接头的打仗面积

增加塑胶件焊接面与焊接头的打仗面积，利于超声波焊接的能量传输，同样可以减小超声波焊接的能量哀求。

基于同样的道理，在超声波传输方向上，避免空洞和波折的构造，也可以减小超声波焊接的能量哀求。

8）易损元件阔别超声波焊接处

当塑胶件中须要组装电路板，而电路板上固定有电子元件、晶体和芯片元件等易损元件时，须要使得这些元件阔别超声波焊接处；或者先超声波焊接，再组装电路板。

当塑胶件开模之后，进行超声波焊接调试时发生断裂和破坏的毛病，可以从以下两个方向来办理。

1）确保超声波焊头和夹具的精确

超声波焊头和夹具常常须要繁芜的三维曲面形状和加工精度，以确保塑胶件在焊接时的准确定位。

如果焊头和夹具的形状或弧度与塑胶件产品不一致，随意马虎使得塑胶件承受额外的浸染力，从而在焊接时分裂。

2）调度工艺参数，减小超声波焊接能量

超声波焊接时能量与以下这些成分干系：

要减小焊接能量，则可以调度干系工艺参数或者修正焊头：

不过，纯挚通过调度工艺参数、减小超声波焊接能量每每不是一个最佳选择。

很多时候，工艺参数调度后，断裂和破坏的毛病确实办理了。

但是，我们常常会同时创造焊接不牢、焊接强度降落，不符合哀求。
这是由于，焊接强度严重依赖于焊接能量，焊接能量过小，焊接则不牢。

以是，这里就存在一个抵牾。
焊接能量大，随意马虎担保焊接强度；但是焊接能量大，又随意马虎产生断裂和破坏毛病。

仅仅通过工艺参数调度，既要担保焊接强度，又要担保不发生断裂和破坏毛病，这是一个难题。

3）其它

以下是网络上网络整理的其它各种方法，仅供参考：

得当设定超声波超声韶光，避免未压到产品前就超声；

降落超声波夹具膨胀率；

底部夹具用橡胶衬垫；

底部夹具和产品避免浮动或间隙；

将上部夹具挖空后，粘贴富硅弹性材料，如硅胶；

易破坏的元件添加赞助的衬垫，减小能量直接通报。

在产品设计时，一旦选定超声波焊接的紧固工艺，就应该清楚超声波焊接存在能量大、零部件易断裂和破坏的缺陷，并通过相应的产品设计来提前避免问题的发生。

然而，绝大多数的环境是：产品设计时心不在焉，根本不去理解和学习超声波焊接，等到塑胶件开模了，实际焊接时，创造零部件断裂和破坏了，才急急忙忙去探求办理方案。

而此时的办理方案紧张集中在焊接参数调度，这可以办理部分问题。
而深层次的问题则须要通过产品设计来办理，那就涉及到改模，这就费时费力。

在问题发生之前，就通过产品设计来避免掉，这是DFMA的真正意义和精髓所在。

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作者简介：钟元，著有书本《面向本钱的产品设计：降本设计之道》和《面向制造和装置的产品设计指南》

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