在设计用超声波焊接组装的塑料件时，工程师有几种选择:对接接头、台阶接头、舌槽接头和剪切接头。选择哪一种取决于很多因素，包括材料;零件的尺寸和刚度;和性能要求，如接头强度、化妆品和密封性。
“这一切都取决于最终产品的需要，”Rinco Ultrasonics USA的产品经理Stephen Potpan说。“需要密封封闭吗？或者它只是需要强壮而且没有崩溃？
“零件大小也有影响，”他继续说。“例如，对于密封密封，剪切接头是推荐的设计，但部件的几何形状可能不允许这样做。设计必须提供足够的空间来容纳某些功能。”
屁股联合
与能量导向器对接接头是超声波焊接中最常见的接头设计之一，也是最容易成型的零件。能量控制板——一个小的，三角形的脊状物，被压在其中一个匹配的表面上——对这个设计至关重要。山脊可以在底部(指向上)或顶部(指向下)模压。
能量指示器将初始接触限制在一个小区域内，并将超声波能量集中在三角形的顶点。在焊接过程中，集中的超声波能量导致脊熔化，塑料在接头区域流动，这有助于将零件粘合在一起。
“能源导演有助于启动熔化过程，”艾默生工业自动化的助理应用工程师Cristhian Mayorga说。
如果没有能量指示器，超声能量将不会沿关节线均匀分布，这意味着要产生相同的结果需要更多的时间和能量。这些额外的时间和精力会导致零件表面出现无法接受的闪光或模具痕迹。
三角形的点可以以90度角或60度角模制。前者最适合非晶树脂，例如ABS或聚苯乙烯。后者对于半结晶材料，例如尼龙和聚乙烯更好。作为拇指的规则，能源导演的宽度应不超过墙壁厚度的20％到25％。根据材料的熔体温度，能源导演的高度可以为0.01至0.04英寸。
一步联合
在注塑工具中相对容易地实施具有能量导向器的步进接头。该接头通常比对接接头强大得多，因为材料流入滑动拟合所需的间隙，建立在剪切和张力中提供强度的密封。
“我个人更倾向于与能源总监合作，”Sonics and Materials Inc.焊接组销售经理Brian Gourley说，“从造型的角度来看，这种零件设计在尺寸配合的公差方面给了你更多的余地。对于舌槽接头，公差必须更小一些，这样配合面才能在不产生侧壁干扰的情况下配合。”
“另一个最喜欢的是剪切关节，”牙龈塑料装配35年经验的工程师添加了京烈。“一个人可以比另一个更好。这取决于应用程序。在某些情况下，如果您所需要的只是机械焊接，则可能是可以接受的步进接头。但是，如果申请的要求更严格，剪切接头可能比步进接头更好，特别是如果您需要密封密封或大会需要保持压力。“
阶梯式关节支持部件的自定心，当需要良好的外观时推荐使用。
Dukane美洲业务发展总监杰森•巴顿(Jason Barton)解释道:“一步联合可以防止闪电，至少在一个方向上是这样。“大多数客户不希望看到车身外部有闪光，但他们不介意车身内部有闪光。另一方面，如果这是一个涉及过滤的容器，那么客户可能不希望内闪光或外闪光。这时就需要用到舌沟关节了。”
与能源指导性接头的设计倾向于使用非晶材料——具有良好硬度和低至中等熔体温度的塑料——效果最好。
古尔利说:“聚烯烃、聚乙烯和聚丙烯等材料并不总是能很好地满足能源总监的需求。”“这些材料柔软、可压缩。它们不能有效地传输超声波振动，所以与能源总监的步进关节通常不是我们的首选。我们会考虑一些更具侵略性的东西，比如剪切关节。”
企口
最大的力量通常是通过舌沟关节获得的。间隙尺寸与非常小的间隙会产生毛细管效应，导致熔化的塑料穿透整个接头区域。
与步进接头一样，这种设计有助于零件的自我定位，并隐藏了闪光对内和对外。它还保护焊缝不受周围空气流动的影响，空气流动有时会对焊接过程产生不利影响。
马约尔加说:“舌槽设计是密封密封的最佳选择，但如果零件厚度不能适应这种设计，我们就会使用剪切接头。”剪切接头可以在较薄的壁厚下完成，但焊接部件需要更大的振幅。”
舌槽式接缝设计要求壁厚。阶梯式接头的最小壁厚为0.062英寸，榫槽式接头的最小壁厚为0.09英寸。舌头将以能量总监为特色。
剪切
剪切接头已被证明是成功的焊接半晶塑料。由于连接距离大，这种连接设计通常会产生气密和高强度焊接。
“如果主要标准是泄漏的，则剪切接头是一个不错的选择，取决于材料和几何形状，”巴顿说。“如果您试图焊接由尼龙制成的船舶，则需要剪切关节。”
剪切接头焊接是通过首先熔化接触的边缘，然后继续熔化沿垂直墙壁的部分望远镜在一起。伸缩式可以防止将焊接区域暴露在空气中，因为空气会使焊接区域迅速冷却，从而造成脆性。焊接强度是由顶部与底部的距离决定的。焊接深度是零件壁厚的1.25到1.5倍，就会产生几乎与周围壁一样坚固的焊接。
各部分由引入物引导在一起，焊缝由两部分之间的干涉量控制。刚性侧壁支撑是剪切焊接的重要组成部分，防止焊接时零件变形。
“剪切接头将需要更多的超声波焊机工作，以克服两部分之间的干扰，”孔利。“结果，部分将暴露于超声波振动，而不是通过步进关节，因此有可能在部件上进行瑕疵。”
在不适宜闪蒸的地方，应在设计中包括闪蒸密封装置。
“闪光陷阱是棘手的，”Gourley警告说。“从焊接接头流出的塑料材料实际上有助于提高焊接强度。从焊接接头逃逸的闪光将在这两部分之间移动。但是，如果有一个闪光陷阱，这些物质就会流入陷阱。你会得到一个装饰性的接头，但你可能无法从连接两个部件的额外材料中获得截面强度。这是一个微妙的界限。”
整体设计
在联合本身之外，有一些一般认为工程师应考虑是否打算通过超声波焊接组装产品。
一个是壁厚。“薄壁可能没有足够的刚度来向关节区域传递振动以产生有效的焊缝，”京烈指出。“如果墙壁太薄，也许0.06英寸或更少，它会像春天一样。它将沿横向而不是垂直方向移动，并且它将来自关节区域的能量。“
另一个需要考虑的问题是组件的总体尺寸。Barton说:“单个喇叭接触单个部件是有局限性的。“对于超声波焊接来说，零件通常必须装在10英寸× 10英寸的盒子里，或者12英寸× 12英寸的盒子里。但这也取决于材料。你不会焊接一个10 × 10的尼龙盒子，但你可能会焊接一个10 × 10的聚苯乙烯盒子。”
而且，由于喇叭必须与零件有密切的接触，工程师们应该避免那些可能妨碍喇叭到达目标的特征。在喇叭表面加工过多的口袋可能会损害其振动能力。
可以焊接直线或曲线的设计，但圆角优于尖锐的角落。“超声波能量往往迁移到尖锐的区域并导致裂缝，”Potpan指出。
近场焊接 - 在关节的偏远范围内为0.25英寸或更小于远场焊缝，其中喇叭距离接头大于0.25英寸。后者将需要更高的幅度和比前者的焊接时间更长。
早起的鸟儿
虽然超声波专业人员可能具有他们的个人偏好，但他们的个人偏好，他们都达成一致意见：获得在设计阶段的早期参与的树脂和焊工供应商。许多供应商提供设计指南和工作表，以帮助工程师在设计超声波焊接时开始使用。
“我们看到的最大问题是，零件已经设计好，送到了模具制造商那里，”Potpan说。“然后，当我们参与进来，需要改变模具时，就会变得非常昂贵。
“当他们在CAD设计工作时，我们总是试图与工程师一起获得。这样，当我们建议对联合设计的更改时，我们刚刚改变计算机型号而不是钢模。
古尔力表示同意。他建议道:“让我们尽早参与到设计阶段。“如果我们可以审查CAD文件，并就设计进行对话，我们可以帮助工程师节省时间、金钱和痛苦。在CAD文件上修改要比修改模具容易得多。”
联合设计指南:赫尔曼超声波一对一
超声波焊接可以说是组装塑料部件的最流行的方法。该技术快速又经济。它不需要消耗品，可以应用于各种应用程序。超声波焊接可以产生强大的密封焊缝，视觉上有吸引力。
然而，为了确保最佳结果，必须考虑各种设计因素。最近，我们与赫尔曼超声波公司的应用工程师迈克尔·林赛(Michael Lindsay)坐下来讨论了这些考虑。更多关于超声波塑料焊接的信息，请致电Herrmann Ultrasonics 630-626-1626或访问www.herrmannultrasonics.com．
集会：超声波焊接步骤，舌头和沟槽，剪切等有几个关节设计是比另一个更好的？
Lindsay.没有一个焊接接头是被普遍认为是所有应用的“最佳”。它们都有自己独特的优点和缺点，必须根据每个应用程序的需求和设计约束加以考虑。
集会我想强度是焊接的首要标准，但其他因素，如美观或密封性，在接头设计中起什么作用呢?
Lindsay.:所有这些因素肯定会影响理想的接头设计。每个焊缝都有可能导致某些结果的特征。例如，对于大多数只需要强度和美观的应用程序来说，简单的步进关节效果很好。如果你需要一个密封性好的密封件，那么一个捣碎接头会更好，它是麻烦的剪切接头的改进版本。现在，如果你在焊接一个有内部流体通道的医疗设备，那么一个舌槽接头将隔离内部闪光，防止它进入流体通道。
当我们讨论一个应用程序时，我们会查看所有的要求、整体部件设计、壁厚、材料和限制条件，然后选择最适合的选项。
集会：材料在联合设计中发挥了什么作用，用于超声波焊接？特定材料是否排除了特定的设计？
Lindsay.：在某些情况下，大多数材料将是任何给定的焊接关节的公平游戏。然而，可能还有其他缓解因子与可能影响某些决定的物质选择。例如，当在较大的部件上使用更柔软的半结晶材料，例如聚丙烯，壁可以变得非常灵活和不稳定。这可能会引导我们远离推荐步进关节，因为可能存在墙壁翘曲和向内弯曲的情况，导致内部联合未对准。如果将加强件（如玻璃）添加到塑料，那么这可能会在某种程度上抵消该问题。
集会:可以混合材料吗?
Lindsay.：作为拇指的规则，为了实现真正的分子键，您需要焊接相同的材料。但是，有些例外情况下，材料属性足够接近，它们在焊接时充分混合。例如，ABS可以用非常好的结果焊接到PMMA或PC。有一种少量的其他材料组合具有不同程度的兼容性，并且我们必须考虑整体应用要求，以查看限制是否可接受。
在桩扎或膜包埋的情况下，你可以更容易地打破这一规则。例如，用木桩，一根柱子被压碎，像铆钉一样重新成形，所以你可以把一块金属板钉在塑料外壳上。我们还致力于将薄的压力平衡膜和过滤材料直接嵌入注塑表面。在这种情况下，你是在熔化表面的塑料材料，它会流进膜的多孔结构，以机械的方式捕获它。这类似于把一块口香糖塞进地毯里。它被机械捕获，但不是一个真正的分子键。
集会：部分尺寸怎么样？墙壁厚度方面是否存在最低或最大值？整体零件尺寸（长度，宽度，高度）呢？任何拇指规则？
Lindsay.：所有公共焊接接头都有特定的维度和许可建议。您必须允许部件自由移动，以便在装配时不会“按”在一起。内部垂直间隙应该足够大以含有熔体体积，但侧向游戏不会太大，侧向游戏将允许联合未对准。
某些接缝类型也需要更多的壁厚来适当地结合。例如，舌槽接头要求最小壁厚为3毫米。如果你把它缩放到很小的部分，那就不太实际了，所以你可能需要看一个交替关节。
您需要查看整个部件的设计，并尽可能确保声呐电极(喇叭)接触面通过Z轴与焊缝有直接的连线。相反，你要确保你有夹具支持直接下面的焊缝。在焊接过程中，接头应该允许足够的部件移动，避免限制坍塌的内部硬止动。
在考虑整体零件大小时，它是一种加载的问题。例如，如果用连续的周边焊接焊接盖子，例如，那么部分的尺寸通过喇叭的局限性束缚。但是，如果您在车门板上的点焊单个点，则可以从点跳转到点，并使用单个SONOTRODE执行多次命中，然后天空是限制。
作为单个连续焊接的一般规则，我们使用“鞋盒尺寸”作为单个块式声纳极可制造的最大尺寸的一般估计。
集会你喜欢看直线还是曲线?圆角还是尖角?刚性零件还是柔性零件?这有关系吗?
Lindsay.：正方形和圆形物体都可以成功焊接，但每个都具有独特的挑战。随着需要液密密封的方形部分，您希望避免锐利，90度的定向变化随着关节转弯。材料倾向于在这些区域中不可预测地流动，并且可以导致泄漏路径。我们建议围绕内部关节，以便在角落周围扫除。
这也用于内部支撑墙，加强肋骨或对准柱特征。夏普，内部90度角落倾向于在振动载荷下积聚应力，因此您希望在这些功能上纳入圆角半径以防止它们松散地断裂。
对于具有圆顶形状盖的圆形部件，如3D手柄，您可能不能总是直接实现焊缝上方的声极接触，特别是当形状是圆顶切点位于焊缝所在平面的内部时。为了避免摩擦，我们通常不会将零件放入超声电极口袋中，所以在这种情况下，我们需要确保使用更硬的材料来补偿潜在的能量损失。总的来说，刚性材料比柔性材料焊接效率更高。
集会当你看一个零件的时候，有没有什么东西会让你马上想到“这很容易焊接”或者“这很困难”?
Lindsay.:是的，经常看到我们所谓的“核心应用”，这与我们经验丰富的其他焊接类似，通常可以很快确定它是相对“教科书”的应用还是具有挑战性的应用。在一些情况下，当我们看到一些超出常规的东西时，我们可能会根据大小、形状、材料选择等来决定，这将是一个更大的挑战。通常，我们可以与客户讨论“危险信号”，并提出建议，使应用程序更接近于可行的领域。然而，在某些情况下，我们觉得即使有变化，风险也太高，我们必须做出艰难的决定，引导客户使用不同的连接技术。
集会：什么是能源导演？为什么有必要？它应该是什么样的？
Lindsay.:能量指示器是将接触点集中起来并将能量导向精确位置的一种特征。这对焊缝的开始是很重要的。
如果你将两个表面焊平，这意味着你有一个更大的表面在最初接触加热和熔化。这需要更多的时间和精力，从而延长了对这个过程的接触时间。此外，更长时间的暴露和更大的表面积导致热迁移到更远的墙壁远离焊接接头。
能量指示器将振动集中在更小的表面积内，因此可以更快地达到熔体温度。这缩短了焊接时间，降低了所需的总能量，并有助于保持熔体包含在焊缝周围更局部的区域。一个好的能源总监通常是一个60到90度的三角形。它将大约0.3到0.7毫米高，按比例缩小到部件的尺寸。你想要使点尽可能尖锐，这通常意味着这是你的模具中的一个EDM特征。沿着长度的平坦度也应该是一致的。
集会:远场焊接和近场焊接的区别是什么?
Lindsay.：远场焊接是超声波接触表面进一步远离实际焊接接头的地方，因此振动能量必须通过更长的距离行进以到达接头。近场意味着超声波的近距离。虽然存在成功的远场应用的许多例子，但近场是优选的，特别是当您使用更软的半晶热塑性塑料时，这倾向于在流过部分的壁时倾向于散发振动能量。
有时，我们可能会查看应用程序，并决定在远场方向焊接，特别是如果近场接触表面具有防止良好的声极接触的特征。当然，在做决定时，还必须考虑其他减轻罪责的情况。
集会:在超声波焊接接头设计方面，工程师最常犯的错误是什么?
Lindsay.:一般来说，我们看到的一个常见问题是，在讨论焊接可行性之前，在错误的设计路径上走得太远。当最终的装配过程被认为是一个事后的想法时，我们有时不得不建议在最后一刻对整个部件设计进行戏剧性的改变，这可能不会被很好地接受。然而，在提前考虑焊接接头的情况下，我认为最常见的需要注意的地方是能源总监的大小或位置不正确。
集会你曾经遇到过不能用超声波焊接的设计吗?是什么?你是如何解决这个问题的?
Lindsay.是的，它确实发生了。我们遇到不可行应用程序的最常见原因可能是由于部件尺寸。当评估一项应用的可行性时，我们必须考虑声纳极尺寸的限制。如果一个组件需要连续焊接，例如，像一个密封的容器，并且它大于最大的声纳电极尺寸，那么这显然是不可行的应用。最可能的解决方法是将焊接盖的尺寸缩小到工装的可行范围内。
另一个困难应用的例子是多级焊接，在此过程中，您试图在同一部件(像三明治)的不同平面上堆叠多个组件，并在同一时间焊接它们。对于这些应用，我们总是建议单独焊接每个组件，然后将组件组合为一个最终的整体组装焊接。
集会超声焊接系统能在多大程度上克服次优接头设计?你还能通过调整焊接参数(功率，振幅等)或更好的工具来焊接一个不理想的设计吗?还是重新设计零件更好?
Lindsay.在某种程度上，你可以通过操纵焊接参数或工装设计来克服一些小问题。在极端情况下，您可能会以一个奇异的焊接过程结束，这可能导致一个非常狭窄的过程窗口。这使得容忍度的累积几乎没有误差的余地。此外，对一个问题的“修复”有时可能会导致新的问题。
我们也意识到，当与客户一起进行设计时，组织中不同的团队之间总是存在潜在的动机冲突。设计团队想要特定的功能，制造团队想要它易于构建，营销团队想要它的外观和感觉是特定的，会计团队想让它尽可能便宜。这是我们的工作，以确保每个人是在同一页关于焊接设计。如果有例外情况，我们需要确保客户提前意识到潜在的风险和可能产生的影响。
集会：当设计塑料零件以超声波焊接设计塑料部件时，您会给工程师提供哪些其他建议？
Lindsay.我们愈早参与讨论超声波焊接的新应用愈好。在设计阶段，我们越早提供输入，就越容易整合正确的功能。同时，尽量遵循材料选择、接头特性等方面的指导方针和“最佳做法”。最后，成型零件的质量是非常重要的。我们有时会看到设计在纸上看起来很好，然后零件从铸模进入可能有问题的焊接，如公差偏差，凹痕，翘曲，分型线或门在不好的位置。在成型过程中避免这些问题是非常重要的，以确保焊接成功的最高机会。
