關於超聲波結構的設計要點
來自：孤峰**
整理：小青菜
看到論壇上有問到關於超聲波結構的設計問題，在這裡我把我的設計經驗拿出來和大家分享，不足之處，
請大蝦們包涵。
超音波應用原理：
利用超音波振動頻率，接觸摩擦產生熱能使塑膠熔融而結合，依目前較普遍的，即為每秒振動二萬次﹙２
０ｋｈｚ﹚與每秒振動１．５萬次﹙１５ｋｈｚ﹚二種（另外尚有數種特殊振動頻率）。
一般來說，在設計超聲波結構之前，需考慮
1.選擇什麼塑料?
2.是否只需要結構性的熔接，如果需要的話，要求它能承受多少壓力?
3.是否需要水氣密?
4.是否有外觀上的要求?
5.是否允許有任何溢膠/微粒的產生?
6.是否還有其他特殊要求?
那超聲波結構設計中，最重要的就是熔接面的設計。
為了獲得可接受的、穩定性高的熔接效果，必需遵循下述三項基本設計準則：
1.兩熔接面的最初接觸面積必須減小，以降低初期與最後的完全熔化所需要的總能量，使焊頭與工件的接
觸時間降低至最少因而減低造成傷痕的機會，也因此減少溢膠；
2.提供一種能使二熔接面相互對位的方式，在搭配塑件的設計中可採用插針與插孔，階梯或溝槽的方式，
而不應採用固定在焊頭或底模內的方式，這樣可確保準確與穩定的對位並避免造成傷痕；
3.整個熔接面必須均勻一致與緊密接觸，盡可能保持在同一平面，這樣的形狀能使能量均勻傳導，有利於
取得一致的與可控制的熔接效果，並且能減低溢膠產生的可能性；
熔接面有導熔線和剪下兩種主要設計類形
首先，先講講導熔線導：
導熔線實際上是在二熔接面之一上形成一條三角形凸出材料，導熔線的基本作用是聚集能量並且迅速把要
熔接的另一面熔解，導熔線能快速熔解並達到最高的熔接強度，原因是導熔線本身的材料熔解並且流到整
個熔接區域，導熔線設計是非晶型材料所採用最廣泛的熔接面設計，當然半晶材料亦可採用這種設計.
導熔線的尺寸和位置取決於以下因素:
1.材料;
2.熔接要求;
3.工件大小;
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導熔線必須愈尖愈好,圓頂或扁平的導熔線將減低熔膠流動的效率,當熔接相對容易熔接的塑料(如高硬度和低熔解溫度的ps),建議導熔線的高度不可低於0.25㎜,若熔接半晶型或高熔解溫度之非晶型塑料(如pc),導熔線高度不可低於0.5㎜;對於採用導熔線設計的半晶型塑料(如pa),熔接強度是來自導熔線三角型的底線之寬度.
頂角隨壁厚而改變;原則上導熔線設定在哪一邊的塑件的熔接面上是沒有任何分別的.但在熔接兩種不同材料的特殊情況下,一般上是將導熔線設定在熔解溫度和硬度較高的那一邊的工件的熔接面上;導熔線的設計要有能相互對位的功能如插針與插孔,肋狀對位片,溝槽設計,或需要良好的支撐.熔接區域不可放置頂針;
下面是幾種比較典型的導熔線的結構設計：
階梯熔接麵一階梯熔接面設計主要用於需要精確對位與完全不可接受過熔或溢膠出現在外露表面的高品質要求上；
設計注意(圖1.)圍繞整個工件介面之額外0.25至0.
64㎜的空隙,這新增的「影線(美工線)」設計特性使熔接完畢後介面四周將出現0.25至0.64㎜之空隙.
如此會產生美觀的效應,因為工件與工件之間的變形不易被發覺.如果完全密合,很可能會在某些位置出現溢膠,在別的位置卻出現微隙;美工線的設定使微小的變形不易被察覺.這款導熔線設計採用與平頭加導熔線設計一樣的基本概念(就是:
材料、熔接要求、工件大小).注意這款設計的壁厚要求最小尺寸為2㎜
溝槽式之熔接面設計—這種設計的主要優點是能從裹外二面防止溢膠,並且可提供對位功能.由於熔膠被封,因此提高達到水氣密的機會.也由於溝槽的設計需要一定的公差配合,因此也增加成型的困難度.
同時,由於熔接面積的減少,往往造成它的熔接強度比不上平頭接面設計，這款導熔線設計採用與平頭加導熔線設計一樣的基本概念(就是:材料、熔接加工要求、工件大小).注意這款設計的壁厚要求最小尺吋為2㎜
咬花面設計--此設計是專為配合導熔線設計使用,熔接面有咬花形狀可改善整體熔接品質和強度,原因在於粗糙面能增進摩擦與控制熔解(圖3.).通常咬花深度0.
076至0.152㎜,其變化視導熔線高度而定.往往得到的優點包括強度的增進、溢膠或微粒的減少、熔接時間的減短以及振幅的減低；
十字交叉熔接面設計—在塑件的二熔接面上都設計導熔線並且使它們互呈垂直交叉,使初接觸面減至最低並使大量的塑料熔接以增加熔接強度(圖4).這種導熔線的每一段尺寸可採取標準導熔線尺寸的60%左右. 若欲取得水氣密的熔接效果,建議一方的導熔線設計採用如圖5.
所示之連續鉤齒狀.同時建議導熔線的頂角角度為600而非標準型的900,同時還建議把比鉤齒狀設計之導熔線設定在與焊頭接觸邊的塑件上.應注意的是,此款設計將產生大量的溢膠,因此必須考慮溢膠的問題或採用有溢料槽設計的熔接面如溝槽式的熔接面設計
垂直於牆壁的導熔線設計—用於增加抗撕裂與減少溢膠(圖6),這種設計僅適用於只需要結構性的熔接而已;
間斷的導熔線設計—可減少熔接面積因此降低能量或所需的功率層級,這種設計只能用於非水氣密的結構性熔接而已(圖7);
鑿子型導熔線—為壁厚不及1.524㎜之工件所採用(圖10.)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標準導熔線,熔接強度將會減弱.
尖刀處可採0.381至0.508㎜之高度並且採用450角.
由於熔接強度取決於導熔線之寬度,當採用此款導熔線設計時必須配合使用咬花面；
鑿子型導熔線—為壁厚不及1.524㎜之工件所採用(圖8)如果在此等薄壁厚之塑件上使用標準導熔線,熔接強度將會減弱.尖刀處可採0.
381至0.508㎜之高度並且採用450角.由於熔接強度取決於導熔線之寬度,當採用此款導熔線設計時必須配合使用咬花面；
特殊熔接面設計
—為了使較難熔接的塑料或外型不規則之塑件達到水氣密熔接,可能需要使用彈性油封與旋繞道以阻隔熔膠之流動.圖9.顯示一種配合「o」型環的熔接面設計.
有一要點應注意「o」型環在熔接完畢後只壓縮10%至15%而已.柱狀塑件與插孔(大頭柱子熔接)亦可成功的配合「o」型環以達到水氣密；
下面再來介紹一下剪下的設計注意點：
剪下式熔接面設計
—在熔接尼龍、乙縮醛、聚乙烯、聚丙烯和熱塑性聚酯這類半晶型塑料時,採用導熔線設計有時是不能達到預期效果的.這是因為這類半晶型塑料在相對很狹窄的溫度變化範圍內迅速從固態再變回固態.導熔線熔化時還未來得及與對麵塑件熔合即開始固化,因此熔接強度只賴由三角形之寬度所提供.
因此當熔接以上塑料,如果外型許可的話的建議採用剪下式熔接面設計,可達到理想的熔接效果.
剪下式熔接面的熔接過程是,首先熔化開始接觸的小面積材料,然後沿著壁面繼續垂直向下而有控制的導引入下工件裹頭去(請觀看圖10).這種熔接方式絕對不會讓四周的空氣接觸到熔解區域,因此可獲得高強度的結構性或水氣密的熔接.由於上述原因,剪下式熔接設計特別適用於半晶型塑膠材料；
熔接強度與熔接面垂直向下的熔接面積有直接關係.強度可由改變熔接深度去達到個別應用的熔接要求.注意:若熔接強要求超過牆壁的接強,建議熔接深度為壁厚之1.25倍；
剪下式熔接需要有堅固的側邊牆壁支撐以避免熔接時變形.下工件的四周牆壁高度必須高至介面位置,內壁
必須與工件外部型體完全吻合.上工件的整體結構也應十分堅固以防止內傾變形.
對於熔接部位在牆壁**位置,可採用圖11.所示的變體溝槽設計.這種設計也適用於大型塑件的熔接.建議採用單邊干涉如圖12.所示
應當注意的是如果工件最大尺吋在89㎜或更大並且複雜或者有直角的轉角就不宜採用剪下式熔接設計,因為這會給上下工件之間所必須保持的成型公差帶來困擾.也就是難於保持穩定的熔接效果.在這種情況下只能建議採用導熔線設計.
當只需要結構性熔接而已.(即不要求強度與水氣密),可採用圖13.所示的間斷性的垂直導熔線設計.
如此可減少整個熔接面積,也因此減少所需的能量或功率.傷痕出現的機會亦可大大的減少
圖14提供干涉尺吋與工件尺吋公差對應於最大之工件外形尺吋
熔接面設計的其他考慮：
1.直角轉角會聚集應力.如果塑件上面有若干應力聚集點,在經過超音波機械振動後,塑件的高應力區域如轉角、邊沿與交界處可能出現斷裂或其他的傷痕.
補救的措施是盡量增加轉角之圓弧度(0.508㎜).請參閱圖15
2.塑件上的孔位或缺口像氣孔類的開口會阻斷焊頭傳送出來的超音波能量(圖16).它對熔接的影響取決於塑件材料種類(尤其是半晶型塑料)和開口的大小，在缺口的正下方幾乎沒有辦法熔接.
當塑件上有缺口或有轉彎形狀,塑料將會阻礙能量的傳導,使能量更難到達熔接面,尤其是剪下式熔接.在塑件設計過程當中應特別注意避免此類問題的發生.由於鋼模設計不當造成塑件內出現氣孔,這種情況也會使能量傳導受阻或使塑件穿孔；
3.近場與遠場熔接之對比一近場熔接指的是熔接面距離焊頭接觸位置在6.35㎜以內;大於6.
35㎜的距離則為遠場熔接(圖17),如上所述,因為半晶型分子結構塑料會阻礙振動能量的傳導,所以難以對它們作遠場熔接.至於非晶型塑料,由於分子隨意排列,振動能量容易在其間傳導並且衰減也很小.在低硬度塑料裹頭也會發生振動能量的衰減現象.
因此在設計塑膠產品過程當中應考慮到是否有足夠的能量傳達熔接面；
4.塑件的分肢,柄,或其他細節—機械振動會影響塑件內外表面上的各種突出物,可能造成斷裂(圖18.)下列各種措施能減低或消除這種影響:
將突出物與主體連線處設計成最大的圓弧狀.
利用外加手段削減連線處的扭折.
增加材料的厚度.
評估採用其他頻率的超音波
5.薄膜效應—一種能量聚集效應造成塑件出現燒穿現象.在平的圓形的、壁厚較薄的位置最為常見,通過採取下列乙個或結合數個措施可以克服這種現象(圖19)
減少熔接時間
改變振幅
採用振幅剖析
在焊頭上設計節點活塞
增加壁厚
使用內部支撐肋骨
評估其他頻率
6.焊頭接觸與放置位置在塑件熔接時可扮演舉足輕重的角色.一般而言,焊頭的尺寸應該大到足以遮蓋整個工作,因此從頂直接施壓在熔接區域上,(圖20.
)這有利於機械振動能量的傳導並可避免接觸面留下傷痕.焊頭或塑件的表面也可以在熔接區域凸起以增進接觸的效能;如此將改善熔接效果的穩定度,注意:焊頭與工件的接觸面必須大於熔接區域的總面積,否則將有可能導至表面傷痕.
另：１.相同熔點的塑膠材質熔接強度愈強。
２.塑膠材質熔點差距愈大，熔接強度愈小。
３.塑膠材質的密度愈高（硬質）會比密度愈低（韌性高）的熔接強度高。以上，請各位參考使用！
關於超聲波結構的設計要點
1.超音波應用原理 利用超音波振動頻率，接觸摩擦產生熱能使塑料熔融而結合，依目前較普遍的，即為每秒振動二萬次 與每秒振動 萬次 二種 另外尚有數種特殊振動頻率 2.超聲波結構 一般來說，在設計超聲波結構之前，需考慮 選擇什麼塑料 是否只需要結構性的熔接,如果需要的話，要求它能承受多少壓力 是否需要水...
關於超聲波加濕器的使用
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