超声波焊接特别适用于组装医疗器械，因为它使用器件材料本身创建关节，避免了粘合剂的需求。超声波焊接的快速，清洁，高效和可重复的工艺，非常适合在许多应用中接纳任何塑料零件。然而，为了获得这些优点，工程师必须选择可焊接材料，设计关节，开发夹具，优化焊接过程，最后，控制它。

超声波焊接通过使用高频振动(通常为20到40千赫兹)来连接热塑性零件，在零件连接处熔化材料。在20世纪60年代首次专利，超声波焊接已被精制用于许多应用。相关工艺包括超声波铆接，锻旋和点焊。

许多热塑性塑料，无定形（例如聚苯乙烯）和半结晶（如尼龙），可以超声焊接。理想情况下，焊缝中的两个部件由相同的材料制成。然而，如果它们的熔化温度相当接近，可以超声焊接不同的塑料的许多组合。

在超声波焊接期间，两个部件是固定的，因此它们是对准和接触的。在该过程开始时，将喇叭转移到超声能量，向下移动以将压力施加到顶部。然后，喇叭处以高频振动，并且振动对另一个部分的摩擦产生热量。这使得塑料柔软并在零件之间的界面处熔化塑料，产生焊缝。

联合设计

虽然超声波焊接的概念简单，但设计稳健的关节和开发有效焊接过程的过程可能非常复杂。通常，它以标称接头设计，巢和喇叭设计开始，并且能量耦合器获得以获得焊接表面的标称振动幅度。然后，该过程迭代在调整接头的几何形状之间，并优化焊接工艺参数（能量耦合器增益，能量和能量包络，压力和持续时间）。

为了创造良好的焊接，与成品焊接区域相比，部件必须在相对较小的区域上初始接触。这允许在施加超声波振动后立即启动熔化。

创建小初始接触面积有两种常见的方法：能源导演关节和剪切接头。

能量导向器是塑造在顶部底部的特征。能源导演是三角形的，三角形点提供两部分之间的初始接触。能源导演将振动能量集中在一个小的接触区域中。

剪切接头提供强度，可用于制造密封。零件旨在最初干扰在一个小区域。由于施加超声波振动并且喇叭按压部件，顶部将其进入底部熔化。许多联合几何形状是可能的，但所有的方式都使用某种方式来提供焊缝的小初始接触区域。

超越基础知识

一旦你理解了超声波焊接接头设计的基本原理，你就可以设计出具有特征和功能的接头，而不仅仅是将两部分连接在一起。

例如，我们最近设计了一种可植入的加压医疗装置，需要几种超声波焊缝进行制造。最终焊接将器件壳体的盖子连接到基座。这两个大的圆形部件，直径约为70毫米，望远镜在焊接时。除了提供结构完整性之外，关节还包括其他功能和特征。

例如，接头包括控制焊接和组装几何形状的特征。对齐对于质量关节至关重要。各种特征可以模制到部件中以相对于彼此对齐和定位它们。超声波工具嵌套和喇叭也可以设计有功能，以确保在焊接过程中正确对齐。

例如，随着焊接的进展，沿着基部的ID的倒角将向上推动上部。这种倒角为我们加压装置的两个同心外壳。或者，可以在相邻的表面之间设计滑动型。这将防止顶部在焊接期间从基部滑动。

为了保持组件的一致高度，可以将止动件模制到基部。这只是一种搁板，其防止顶部比必要进一步向下移动。

工程师还可以设计联合功能，以包含焊接期间产生的闪光灯和颗粒。敏感区域中的闪光或松散颗粒可能导致医疗设备失败。

在我们的加压装置中，关节设计得出在装置的外部发生任何闪光，在那里可以通过正常清洁过程去除。此外，我们将小凹槽模制到顶部的ID中。这提供了一个小矩形开口区域，或“闪光陷阱”，在接头内，为焊接接头焊接时，为多余的熔化塑料提供一个地方。

最后，工程师可以设计具有保留功能或化妆品组件的功能的关节。在我们的设备示例中，当接头被焊接时，它保持并压缩四边形O形圈以确保气密密封。软塑料缝线脚周围的外围使外科医生能够缝合到位。

优化过程

开发超声焊接的关节不是精确的科学。每个部分和每个焊缝都有个性的特征。使联合设计和焊接过程一起工作将需要一些迭代。首先，确定关节需要做些什么以及如何衡量其实力和功能。除了目视检查焊缝外，您可能需要执行拉动和剪切测试或加压泄漏测试。

在开发出初始的关节几何形状后，按名义尺寸制作一组原型部件，并准备两组不同的配合(例如，更紧或更松)，同时保持其他尺寸相同。将两个望远镜部件组装在一起的圆盘状组件的一种方法可能是在外部使用相同的ID，而在内部使用不同的外径，以更紧密或更松的配合。调整设计并进行进一步的测试，直到你有一个焊接良好的接头。

当您实现了连接设计和焊接工艺协同工作时，您可以期待在医疗设备组装过程中始终保持清洁、快速焊接。