超声波焊接结构设计
超声波焊接设备结构及各部分原理(1)
超声波焊接设备结构及各部分原理分析1.1 超声波的定义：1.2、超声波的传播：1. 3、超声波焊接的能量传递：1.4 超声波振幅的增幅：2/1波长2/1波长2/1波长1. 5、超声波的周波数与振幅：1. 超声波的传播：1. 超声波发生器作用是将工频（50 Hz或60 Hz）电压转变为超声频电压。
微处理器经由用户界面控制焊接循环和反馈关键焊接信息给用户。
用户界面也允许操作人员输入所需的焊接参数。
1.1 超声波发生器内部结构1.2 超声波发生器种类标准型：智能型：自动追频超声波焊接机，数字电路设计，超声波频率自动与超声波模具匹配，无需调节频率，长时间工作频率不漂移；超声波振幅可调，适合焊接不同要求的产品。
2、焊接套件声能系统焊接套件提供超声机械振动，一般由换能器、变幅杆、焊头三部分组成，在变幅杆中部固定在焊接压力机上。
焊接套件是有点类似音叉的谐振器。
焊接套件的谐振频率必须紧密匹配来自发生器的电信号的频率（相差少于30 Hz）。
2.1、换能器通过逆压电效应将来自于发生器的超声频电压转化为同频率的超声机械振动。
它由夹于两金属（通常是钛）块之间的若干压电陶瓷片组成。
片与片之间有一薄金属板形成电极。
在正弦电信号经由电极提供给换能器时，压电片膨胀和收缩，产生15~20 μm的轴向峰到峰运动。
超声波换能器是精密设备，应小心处理。
2.2:BLT换能器2.3：PZT压电环2.4、增幅器2.5、超声波变幅杆变幅杆有两个作用。
其主要作用是放大换能器端部产生的机械振动并将振动传给焊头。
另一作用是提供固定套件于焊接压力机上的位置。
在换能器施加超声能量时，变幅杆也膨胀和收缩。
与焊接套件中的其它零件一样，变幅杆是调谐装置，因而它也必须在特定频率共振以便将超声能量从换能器传至焊头。
为了有效地发挥作用，变幅杆必须是超声波在其制造材质中的半波长或半波长的整数倍。
一般为半波长。
2.6、超声波焊头超声波焊头是焊接套件中向待焊零件提供能量的部分。
超声波焊接的焊口设计
超声波焊接的焊口设计合理的焊口结构是保证最佳焊接效果的关Array键条件之一，各种焊口设计又取决于多种因素，如材料类型、零件形状和焊接要求（即强度、密封、外观等）。
图一表示典型的导能焊线设计。
对于某些需要高能量的树脂（即晶型、低刚度或高熔点的非晶型），其导能焊线尺寸应同比加大1.5~2倍。
当焊件没有密封要求时，则可以将焊线设计成断续的，以减少能量损耗。
图二表示外侧遮蔽的焊口设计（必要时也可设计成双向遮蔽），这样可避免向外溢料，以保证外观质量。
设计时应保证a≥b。
图三表示需要严密封接时所用的剪切焊接法。
特别适合于晶型树脂（PP、PE、Nilon、POM 等），对于超过焊件本体强度的连接要求，建议熔深为壁厚的1.25倍。
剪切量与焊件尺寸成正比，一般取值0.2~0.5mm。
剪切焊接的夹具必须限制下工件向外挠曲变形，而超声波声头与上工件作用面应尽可能靠近焊口（象是一个盖子），以防上工件向内挠曲。
对于中间壁剪切焊，则可采用图四所示的榫槽结构，以避免挠曲变形。
由于超声波能量传递中的高压强和剧烈振动，所以在焊口设计中还应避免以下结构隐患： 1、超声波声头和（或）超声波工装与焊件接触面太小，容易在焊件表面产生压痕和熔斑。
建议该接触面积应大于焊接面积的三倍，且尽可能正对焊接处（图二）。
2、盖状上工件太薄，容易在共振下开裂，或“击穿”，建议加筋处理（图二）。
3、细小附件与主体连接处强度太弱，容易振断，建议在根部加一圆R（图三）。
4、结构承力不好，致使能量不能有效地传递到结合面上。
如无法避免这种设计，则应将超声波声头及超声波工装的着力面改在承力良好的位置（图四）。
此外，工装夹具也在很大程度上影响焊接效果，被焊工件的材料、形状、壁厚及不对称性等因素均可能影响能量向界面的传递。
这都需要精心设计工装夹具，以保证焊接界面的均匀承力。
对于某些焊件，结合面可能过于严合而不能产生相对位移，这时可适当降低超声波工装的刚性，以保证在结合面产生异相状态。
塑料超声波焊接结构
塑料超声波焊接结构塑料超声波焊接结构1. 引言在现代工业中，塑料材料广泛应用于各种领域，如汽车、电子、包装等。
而为了将塑料部件连接在一起，我们通常使用焊接技术。
在众多的焊接技术中，超声波焊接因其高效、可靠和环保等特点而备受关注。
本文将深入探讨塑料超声波焊接的结构和原理，以及它在工业领域的应用。
2. 塑料超声波焊接的结构塑料超声波焊接是一种通过在塑料接头处施加超声波振动来实现焊接的技术。
它主要由以下几个部分组成：2.1 超声波振动系统超声波振动系统是塑料超声波焊接的核心组成部分。
它通常包括一个振动源和一个共振回路。
振动源产生高频振动，并通过共振回路将振动传递到焊接头部。
超声波振动系统必须具备稳定的振动频率和合适的振幅，以确保焊接的质量和效率。
2.2 可调式焊接头可调式焊接头是用来传导超声波振动到塑料接头的部件。
它通常由一个焊接头和一个压力传感器组成。
焊接头的设计可以根据不同的焊接要求进行调整，以确保焊接头与被焊接件之间的接触面积最大化，从而提高焊接的效果。
压力传感器用于监测焊接头对被焊接件的施加压力，以确保焊接的一致性和可靠性。
2.3 焊接基座焊接基座提供了一个稳定的支撑平台，用于固定被焊接件和焊接头。
它通常由金属材料制成，以确保足够的结构强度和耐久性。
焊接基座还可以通过可调节的夹具来确保被焊接件的准确定位和固定，从而提高焊接的精度和稳定性。
3. 塑料超声波焊接的原理塑料超声波焊接的原理基于超声波在塑料中传播时的特性。
当超声波通过塑料时，它会产生机械能，从而使塑料分子振动。
这种振动会导致塑料接头表面的摩擦和热量的产生，进而使塑料接头部分熔化。
当振动源停止振动时，熔融的塑料冷却和固化，从而形成坚固的焊点。
4. 塑料超声波焊接的应用塑料超声波焊接广泛应用于各个行业和领域，其中一些应用包括：4.1 汽车工业在汽车制造过程中，塑料超声波焊接被用于连接汽车零部件，如车灯、仪表板等。
由于超声波焊接可以快速、可靠地连接塑料部件，因此它在汽车工业中发挥着重要的作用。
超声波焊接线结构设计-基本型.阶梯型
( 0.7 ) 防止位置偏移
( 0.9 ) 引導孔
阶梯型设计及用处
防止溢料 改善外观
阶梯型设计例子
榫槽型设计例子
超声线及火花纹设计
Branson/Mold-Tech Texture Designation
Branson300 Branson450 Branson600
Pattern Depth
（0.03）
0.3
0.4R型很重要来自45°~ 60° 1.0
Join Design③
肉厚約 0.8 mm以下時 ( 0.4 )
0.03 0.4
0.25
0.5
30°～ 45°
0.8
Join Design④ 防止位置偏移(斷差)
肉厚 0.7 mm以下時
0.7＞
( 0.5 )
防止位置偏移 引導加厚部
0.25
0.010” to 0.025” (0.25 to 0.64mm)
0.060” (< 1.50 mm)
Chisel energy director 45º 0.015 to 0.019” tall (0.4 to 0.5mm)
Before
After
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.8 0.03
75 μm 115 μm 150 μm
超声线及火花纹样板
刀边型加上火花纹
超声熔化效果
无火花纹
有火花纹
超声焊接结构
阶梯型
Continuous Criss-Cross Energy Director
超声焊接结构
榫槽型
Tongue & Groove
3.0
2.0
超声波焊接结构_必能信 共24页
M4
Length of bushing in
mm
5.8
8.2
Diameter In mm
D1
D2
3.9 4.7
5.5 6.3
Insertion hole in mm (rec.value)
4.0
Threaded bush
5.6
M5 9.5 6.3 7.1 6.4 M6 12.7 7.9 8.7 8.0 M8 12.7 9.5 10.2 9.6
阶梯型
0.40
0.03
( 0.30 )
0.17
0.20
超声焊接结构
阶梯型
0.13～0.29 0.30～0.44 0.45 以上
75 μm 115 μm 150 μm
超声焊接结构
阶梯型
齿型高度约焊 接筋的60%
超声焊接结构
榫槽型
( 0.7 )
3.0 2.0
0.7
角度 3～ 5 ° 1.5
+ 0.001” (+ 0.025mm)
0.75” to 1.50” (18-35mm)
Greater than 1.50” (35mm)
0.012” to 0.016” (0.3 to 0.4mm) 0.016” to 0.020” (0.4 to 0.5mm)
+ 0.002” (+ 0.050mm)
+ 0.003” (+ 0.075mm)
超声焊接结构
剪切型
0.8
0.8
0.03 0.4
超声焊接结构
剪切型
0.5 0.25
0.5 0.25
0.1
0.1
超声铆接结构
2020年(塑料橡胶材料)超声波焊接塑料件的设计
（塑料橡胶材料）超声波焊接塑料件的设计超声波焊接塑料件的设计代注塑方式能有效提供比较完美的焊接用塑胶件。
光我们决定用超声波焊接技术完成熔合时，塑料件的结构设计必须首先考虑如下几点：1焊缝的大小（即要考虑所需强度）2是否需要水密、气密3是否需要完美的外观4避免塑料熔化或合成物的溢出5是否适合焊头加工要求焊接质量可能通过下几点的控制来获得：1材质2塑料件的结构3焊接线的位置和设计4焊接面的大小5上下表面的位置和松紧度6焊头和塑料件的妆触面7顺畅的焊接路径8底模的支持为了获得完美的、可重复的熔焊方式，必须遵循三个主要设计方向：1最初接触的俩个表面必须小，以便将所需能量集中，且尽量减少所需要的总能量（即焊接时间）来完成熔接。
2找到适合的固定和对齐的方法，如塑料件的接插孔、台阶或齿口之类。
3围绕着连接界面的焊接面必须是统壹而且相联系互紧密接触的。
如果可能的话，接触面尽量在同壹个平面上，这样可使能量转换时保持壹致。
下面就对塑料件设计中的要点进行分类举例说明：整体塑料件的结构1.1塑料件的结构塑料件必须有壹定的刚性及足够的壁厚，太薄的壁厚有壹定的危险性，超声波焊接时是需要加压的，壹般气压为2-6kgf/cm2。
所以塑料件必须保证在加压情况下基本不变形。
1.2罐状或箱形塑料等，在其接触焊头的表面会引起共振而形成壹些集中的能量聚集点，从而产生烧伤、穿孔的情况（如图1所示），在设计时能够罐状顶部做如下考虑○1加厚塑料件○2增加加强筋○3焊头中间位置避空1.3尖角如果壹个注塑出来的零件出现应力非常集中的情况，比如尖角位，在超声波的作用下会产生折裂、融化。
这种情况可考虑在尖角位加R角。
如图2所示。
1.4塑料件的附属物注塑件内部或外部表面附带的突出或细小件会因超声波振动产生影响而断裂或脱落，例如固定梢等（如图3所示）。
通过以下设计可尽可能减小或消除这种问题：○1在附属物和主体相交的地方加壹个大的R角，或加加强筋。
○2增加附属物的厚度或直径。
超声波焊接设计
超声波焊接设计一、何谓超声波焊接？在进行超声波振动的同时施加压力，使要结合的塑料产品的一部分因摩擦产生热量软化，焊接在一起的方法。
二、超声波焊接接合部的接合形状方式1、斜面接合（1）、斜面接合的特点：该接合是利用斜面以达到完全的面接合。
由于可获得均一的热能及较大的焊接面积，故焊接强度高，气密性好。
（2）、斜面接合设计时的注意事项•接合部的倾斜角度越大则焊接面积也就越大，但由于结合面不易产生滑动，故需要较大的能源。
另一方面，当倾斜角为锐角时，在焊接时会形成压入状态，并因打开接合部而引起变形、降低了融化密合性等，有可能引起不良问题的发生。
在设计是我们必须考虑到成型品的厚度，一般成品厚度应设定在30～60的范围内。
•将要进行焊接的二个成型品在组合时，确定纵向与横向的焊接深度是尤为重要的。
虽然所设定的尺寸会因使用塑料的等级与性能要求而异，但纵向与横向的设定标准则为0.4～0.7mm左右。
•为了确保焊接时嵌接状态的稳定性，尽可能地将接合部设计的大一点。
实际上成型品的间隙设计的大则不会发生晃荡，且不能有压入。
单侧设定为0.05mm左右为最佳。
•为了达到焊接后的制品尺寸（进入量）的稳定，必须设有浇口塞。
设定位置为可软化焊接的位置。
•若想防止在焊接时发生融化飞边时，最好能设有飞边滞留。
（3）、斜面接合设计案例，以及该接合形状的焊接强度例。
2、逐次接合（1）、逐次接合的特点：属于剪切焊接，由振动方向的面接触结合部获得均一的热量，其气密性、焊接强度都十分良好。
但是，焊接后所产生的飞边会滞留在表面，特别是不允许有飞边产生时，一定要注意。
（2）、逐次接合设计时的注意事项•接合部倾斜角度的考虑方法斜面接合一样。
同时也要考虑到成型品的厚度，我们希望设定在40～50的范围内。
•焊接深度含倾斜部分的设定一般为纵向1.0～1.2mm，横向0.3～0.5mm左右。
当纵向的焊接深度发生变化时其焊接强度也会发生变化，焊接量过大的话在焊接时容易产生飞边，由此引发出破裂、气密不良等问题。
超声波焊接线结构设计_基本型.阶梯型
阶梯型设计及用处
防止溢料
改善外观
阶梯型设计例子
榫槽型设计例子
超声线及火花纹设计
Branson/Mold-Tech Texture Designation
Pattern Depth
Energy Director Height
Branson300 Branson450 Branson600
0.003” 0.0045” 0.006”
Chisel Edge
0.060” (< 1.50 mm)
Chisel energy director 45º 0.015 to 0.019” tall (0.4 to 0.5mm)
Before
After
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.8 0.03 ( 0.5 )
0.37
45 °
0.4
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.40
0.03
( 0.30 ) 0.17 0.20
Join Design①
肉厚達 1.5 mm 程度時
1.5 0.05 （0.5） 0.5 R型 到ED為10mm 以下 0.5
60 °
Join Desi）
（0.5 ） 0.3 0.4 R型很重要
45°~ 60° 1.0
Join Design③
肉厚約 0.8 mm以下時 0.03
( 0.4 )
0.25
0.4 0.5 30°～ 45° 0.8
Join Design④
肉厚 0.7 mm以下時
防止位置偏移(斷差)
0.7＞ 防止位置偏移 引導加厚部
( 0.5 )
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0.5
60 °
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
阶梯型
Chisel Edge
W+ 8
0.010” to 0.025” (0.25 to 0.64mm)
0.060” (< 1.50 mm)
Chisel energy director 45º 0.015 to 0.019” tall (0.4 to 0.5mm)
角度 3～ 5 ° 1.5
0.6
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
剪切型
Shear Joint
0.8 以上
0.05
0.4
2.0 45 °
Maximum Part Dimension
Less than 0.75” (18mm)
0.75” to 1.50” (18-35mm)
Greater than 1.50” (35mm)
超声铆接结构
高压型铆接
Knurled Stake
High Pressure Stake
90°
Before
超声波焊接结构设计
After
超声铆接结构
点焊
Spot Welding
超声波焊接结构设计
超声嵌插结构
嵌插
Insertion
金属螺钉
塑件
超声波焊接结构设计
超声嵌插尺寸
Metric thread
无凸沿，两侧无溢料 且运动方向与振动方向 相同
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
常用于阀盖的焊接 两侧无溢料
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
避免两侧溢料
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
位移较小，但强度 要求较高
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
典型应用 位置狭窄，容器较大
（洗衣机，洗碗机等）
超声波焊接结构设计
0.13～0.29 0.30～0.44 0.45 以上
75 μm 115 μm 150 μm
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
阶梯型
Continuous Criss-Cross Energy Director
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
榫槽型
Tongue & Groove
3.0
( 0.7 )
2.0 0.7
5.65
6.85
M6
10.0
7.7
8.75
8.25
M8
12.0
9.7
11.3
10.8
超声波焊接结构设计
超声浇口切除结构
Gate Design
Gate Area
Tangent Melt Zone Localized
浇口尺寸
Smooth Gate Area
0.080 inch (2.03 mm)
Gate Sizes
振动焊接结构
用于透明材料 溢料少，外观 优良
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
外侧无溢料
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
２mm壁厚５mm凸 沿,焊接２.４mm宽 １.５mm高
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
较小的厚度 包括凸沿的结构
超声波焊接结构设计
Interference per Side
(Range) 0.008” to 0.012” (0.2 to 0.3mm)
0.012” to 0.016” (0.3 to 0.4mm) 0.016” to 0.020” (0.4 to 0.5mm)
Part Dimension Tolerance
+ 0.001” (+ 0.025mm)
+ 0.002” (+ 0.050mm)
+ 0.003” (+ 0.075mm)
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
剪切型
Shear Joint
0.8
0.8
0.03 0.4
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
剪切型
Shear Joint
0.5 0.25
0.5 0.25
0.1
0.1
超声波焊接结构设计
超声铆接结构
M3
M4
Length of bushing in
mm
5.8
8.2
Diameter In mm
D1
D2
3.9 4.7
5.5 6.3
Insertion hole in mm (rec.value)
4.0
Threaded bush
5.6
M5 9.5 6.3 7.1 6.4 M6 12.7 7.9 8.7 8.0 M8 12.7 9.5 10.2 9.6
Before
超声波焊接结构设计
After
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.8 0.03
( 0.5 )
0.37
0.4
45 °
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.40
0.03
( 0.30 )
0.17
超声波焊接结构设计
0.20
超声焊接结构
阶梯型
Energy Director with Opposing Textured Surface
0.080 inch (2.03 mm)
0.080 inch (2.03 mm)
超声波焊接结构设计
2.振动焊接结构
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
常用于密封罐焊接
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
焊接宽2mm深1mm
超声波焊料
超声波焊接结构设计
振动焊接结构
超声铆接结构
半圆型铆接
Dome Stake
0.5 D
2.1 D
2D 0.5 D
Before
After
D =超声S波tu焊d接结d构ia设m计 eter
超声铆接结构
中空型铆接
Hollow Stake
1.5 D
0.25 D
Before
After
D = Stud diameter
超声波焊接结构设计
超声波焊接结构设计
超声嵌插尺寸
Metric thread
M3
Length of bushing in
mm
5.5
M4
7.5
M5
9.0
Diameter In mm
D1
D2
4.0
4.7
5.2
6.15
6.4
7.35
Insertion hole in mm (rec.value)
4.3
Threaded bush
基本型
Standard Profile
Horn
1.6 D
2D 0.5 D
Before
After
D = S超tu声d波焊d接ia结m构设et计er
超声铆接结构
低矮型
Low Pro
Horn
D/ 2
0.6 D
1.5 D
0.25 D
Before
After
D = Stud diameter
超声波焊接结构设计
焊接结构
超声波焊接结构设计
1.超声焊接结构
超声波焊接结构设计
焊接筋的角度
120 °
90 °
60 °
45 °
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
基本型
Basic Energy Director
W
W
4
8
W
64
W
超声波焊接结构设计
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
1.5
0.05
( 0.5 )
0.5