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超音波應用與相關資訊

超音波常見應用

超音波焊接自1960年代早期發展至今，是目前常見的加工技術，利用高頻震盪產生極大摩擦力，遂而使塑膠製品產生高熱融化，待超音波能量足夠即切斷，而焊頭（上模）及底模（下模）維持原處夾持住製品，待接合處冷卻即可完成產品接合，大幅縮短產品製造時間並可節省成本，是其被廣泛利用的原因。

塑膠焊接

一般焊接

一般常見焊接的工件其一上有焊接線（Energy Director)，當焊接時，焊接線部分塑膠因高頻摩擦生熱熔化，猶如黏劑將兩工件結合。焊線多設在工件上半部，呈倒三角形，由尖端部份開始熔化，輔助適當的下壓力，使融化的塑膠均勻地散佈設計好的凹槽，令工件接合更精確。

焊頭與工件的接觸面是依照焊接工件實際外型尺寸雕刻出來的，振幅及壓力等參數是要根據如何將工件上半部貼近焊頭焊接面而設定的。放在底模中的工件下半部是不動的。焊頭下壓時，使兩工件相接觸，由焊頭傳遞增大後的振盪能量到上件，上件快速震盪摩擦產熱，焊接線因熱融化，由摩擦生熱令焊接面熔合起來。

超音波的高頻震盪令兩半工件的容接面馬上熔合，由機頭下行同時產生的力度是比超音波發生時間較長。這個力度令熔解了的塑料冷卻、凝固、成型。

成形焊接

除了典型的超音波焊接，成形焊接也是廣泛應用，形式包括：

鉚接Riveting
如同超音波焊接，焊頭在超音波鉚接過程中負責將超音波振動能量傳遞至鉚釘。鉚接工具通常依照需要的鉚釘形式設計，在可允許範圍內，一次完成多個鉚釘焊接，或是利用多頭式機構鉚接大型部件，例如汽車保險桿或汽車儀表板殼件固定。
夾焊Flanging
如同金屬加工一樣，附加的塑膠部件也可以利用夾焊方式固定，甚至可應用於結合異材質部件，焊頭工作表面會依照要達成的任務不同而有特殊設計，以形塑邊緣、插梢、保護或其他固定措施。
埋植Embedding
螺孔、螺絲或是其他金屬件可藉由超音波埋植方式植入塑膠內，依據其尺寸及金屬件形狀，可獲得抗扭力及穩定度。即使要加工的各部位不在同一水平面上，也可利用組合焊頭一次完成所有埋植工作。

這些加工方法可說是超音波應用的延伸應用，形塑塑膠使之與其他材質，（如金屬、玻璃或異質塑膠）結合，不同於焊接，成形焊接只有一個塑膠件被融化塑型。超音波成形的最大優點，即是成形過程在塑膠融化狀態下進行，對形狀件僅有極小的影響，結合件因外力而分離的狀況極少存在，可符合嚴謹要求，耐久性亦佳。

金屬焊接

超音波金屬焊接是將兩個金屬件於強度中等的夾持力下，導入超音波高頻震盪能量，對於基底金屬來說，無明顯的融化產生，超音波金屬焊接的優點包括：

可允許薄金屬材料焊接至厚材上
可允許異質金屬接合
保持接合處仍有良好的熱導性與電導性
接合過程中不產生熱能
有效率使用能量
不需要其他介質、助焊劑或特殊氣體
通常不需特殊清洗
即使金屬表面氧化仍可焊接

切割

超音波切割主要是分離相連的物件，透過高頻率振動以降低待切物的反作用力，達到切面平整的效果。實際應用上可以分為兩種應用方向：

熔切；應用於人造紡織物、不織布或薄膜。
分切：應用食品、橡膠、FRP、人造皮革等材料。

一般焊接產品設計原則

設計時的基本考量

為達成好的焊接結果，必須考量的因素如下：

接合處強度要求
是否需要全密焊接
是否允許溢料
考量樹脂塑膠的可塑性，究竟何種材質既可符合產品設計需求、亦可滿足適合超音波加工的基本條件
產品外觀要求
接合處位置與形式
妥善設計的底模，必須能在焊接過程中固定殼件
焊頭是否足以傳遞超音波能量至接合處

焊接件設計重點
欲焊物必須能傳遞超音波能量
如果焊接面與超音波焊頭接觸面有一些距離，殼件必須要足夠堅硬以傳遞超音波能量，軟質塑膠無法確實的傳遞能量，殼件壁厚度必須足夠以防止焊接區域形變，薄壁容易因為焊接過程中的機械力量而斷裂。

焊接物的邊角與邊緣

所有邊角與邊緣必須導圓角，銳利邊緣會使超音波能量蓄積而造成破裂或是不必要的熔接。

潛在的產品設計問題

延伸本體以外的部份，例如邊肋、托架、飾釘，易在焊接過程中因振動或過熱而斷裂。另外其他內置物如彈簧或是電線，也是影響焊接效果的原因。概括的說，圓滑邊緣與邊角、振幅小、焊接時間短可達成最佳焊接效果，如果需要，可以使用矽膠來緩衝超音波對電子零件、彈簧等的震盪。

欲焊物的吻合狀況

理想的狀況，兩殼件必須互相吻合，且在焊接過程中可固定不滑動。理想的吻合狀況是兩者可借助外力密合但不致於過緊，理想的間隙是0.05～0.1mm；依焊物大小而定，兩件焊物間的高度差最小是1.0mm。

建議間隙 a=0.025~0.05mm; b= min. 1.0mm

能量傳遞需均一

接合處的設計會影響能量傳遞的均一度，一般來說，能量傳遞路徑上有彎曲、斜面或是開孔，都會使傳遞至焊接面的超音波強度減少。

圖中X區域易出現焊接不足或無焊接的狀況

接合面的位置

最佳狀況是接合面均在同一高度而且與焊頭表面平行，若非如此，因為接合面至焊頭表面的距離不一，易有焊接不均一的現象發生。

圖中L1與L2距離不等，且a面與焊頭面不平行，傳到兩殼件接觸面的能量損失

焊件與焊頭接觸面

最佳狀況是與殼件與焊頭接觸面大又平整，焊頭表面是可以有部分輪廓的。如果焊頭表面小於接合面，雖仍能達成焊接，但部分能量也許無法傳遞至接合面，需要增加壓力才達成好的焊接效果，但是增加下壓力可能會使焊件表面產生壓痕。拋光表面或是不平整表面尤其容易產生焊頭壓痕，加入PE模可以減少壓痕產生。

與焊頭接觸的殼件應該與焊頭接觸面一樣大，例如圖中a必須盡可能比s寬

近距焊接

理想的設計是盡可能的縮短接合面至焊頭表面的距離，近距焊接一般指此距離小於6mm，可能發生的問題比遠距焊接少。

近距焊接指L小於6mm

遠距焊接

指焊頭表面至接合面的距離大於6mm，由上殼件殼壁傳遞超音波能量至接合面，使用硬質的熱塑性塑膠可達極佳效果，能忠實的傳遞能量至接合面。硬質半熱塑性塑膠會吸收部分能量，使遠距焊接變得困難。而軟質半熱塑性塑膠會大量吸收超音波能量，如果距離過遠，焊接變得非常困難而且容易產生假熔現象。

近距焊接指L大於6mm

底模

底模用於固定殼件，使殼件與焊頭對正，殼件與底模必須吻合，不可過鬆或過緊，夾持過緊會致使能量進一步傳遞至底模，損失能量而使焊接變得困難。如果殼件為薄殼而且在焊接過程中無法支撐焊頭下壓力，底模也可以當做暫時性的支撐壁。

最常應用的接合處設計：能量導入(ED; Energy Director)以及銳角(Shear Joint)

焊接線 ED

焊接線為V型突出，在接合面的其一面上，超音波振盪摩擦融化後會變成一條線，v型尖端可集中超音波能量，ED融化後變成流體流入上下殼件間間隙並填滿，焊頭下壓可驅使融化塑膠擴散佈滿整個接合面。然後停止超音波能量，焊頭仍然保持在下，維持一短暫時間後等待塑膠冷卻固化，完成焊接過程。 ED可以在任一殼件上，以異質塑膠互熔來說，通常選擇熔化、熔融點較高的殼件加入ED焊線，或是選擇剛性較低的殼件。

ED高度約為s/10~s/5

熱塑性塑膠通常沒有明確定義的融點，但是有較廣的軟化範圍。因此焊接參數設定範圍不需嚴密，即使超音波能量大於實際所需能量，仍可以得到好的焊接效果。反之，半熱塑性塑膠有明確的融點，大部分此材質塑膠在溫度高過融點時都會有劇烈變化，極短時間仍會造成熔傷。如果融化的ED塑膠在擴散過程中與空氣接觸，會在整個接合面完全熔融之前便已結晶，結晶區域容易斷裂、剝落，即為假熔。而且與空氣接觸也會使樹脂塑膠產生氧化作用。鑑於這些可能的問題，ED焊接不建議使用在半熱塑性塑膠焊接。

銳角接合 Shear Joint

銳角接合對半熱塑性塑膠來說相當適合，可以達成密封焊接，銳角接合有一斜面及一個小接觸面，小接觸面因震盪能量摩擦可快速融化。上下殼件滑向彼此並形成垂直的接合處。兩個熔融表面滑向彼此可避免氣泡產生並且阻擋空氣接觸。同材質塑膠可以完全焊接。一般常見焊接步驟即可控制。因為只有些微空氣，固化時間較長但結晶與假熔現象不易發生。銳角接合的成功率受上下殼件交疊範圍影響。下殼壁厚必須足夠，得以承受焊接過程中的下壓力，否則易因為下壓而使下件變形凸出。

點焊 Stud Welding

點焊是銳角接合焊接的一個特例，這是一種不要求密封焊接的經濟方法，塑膠飾釘融化流入另一件的空孔，亦可以利用飾釘來定位對準上下殼件。

成形焊接產品設計原則

除了典型的超音波焊接，成形焊接也是廣泛應用，形式包括：

鉚接 Riveting
夾焊 Flanging
埋植 Embedding

這些加工方法可說是超音波焊接的延伸應用，利用形塑塑膠的方式，達到塑膠與其他材質（如金屬、玻璃或異質塑膠）結合的可能性。不同於焊接，成形焊接只有一個塑膠件被融化塑型，有效地利用焊頭表面的及塑件表面的熱能。

超音波成形的最大優點，即是成形過程在塑膠融化狀態下進行，對已塑形件僅有極小的影響。已結合件因外力而分離的狀況極少存在，可符合產品嚴謹要求，耐久性亦佳。

鉚接 Riveting

焊頭將摩擦能量傳遞至鉚釘，同時藉由鉚接工具（焊頭表面形式）成形鉚接表面樣式，凹陷容積與成形的塑膠體積相同。此應用特別必須注意焊頭尖端容易磨損的問題。塑膠加玻璃纖維或礦物等材質需要使用合適的焊頭材質才能加工，建議使用硬化工具鋼（硬度超過60HRc或是合適的coating）。

細小金屬因超音波震盪而容易黏附在焊頭上，不能保證完全結合，必須輔助夾具，而夾具上必須結合使用吸音材質以避免夾具外露部分因為震盪

如果金屬件需由數個鉚釘固定，所有鉚釘必須一次固定，如果逐一鉚接固定，已完成的部份可能因為超音波能量斷開。

焊頭不可接觸欲附加件，融化的塑膠必須在固化時間內因下壓力凝固，此步驟可依照塑膠射出的下壓力與冷卻時間方法，如果焊頭壓在上件，其鉚接頭的壓力減少，結果導致異質結構無法確實結合。

如果要鉚接金屬件，此問題可以藉由接觸短路裝置解決，安裝合適的接收裝置，即可在超音波焊頭接觸金屬件時，因電流改變而切斷超音波能量，而且能以此方法控制組件公差。

結構

常見鉚接點形式可參考機械製造，固定鉚接梢應該為環狀，有導圓角或是導角，被鉚接件必須有下凹，被鉚接件孔洞上緣也必須有下凹（沉頭孔設計），如果價格與製造成本允許，應該加導圓角或是導角，此設計可抑制缺口效應與應力集中，使鉚釘不易脆裂。

鉚接頭形式

最簡單的鉚接頭型，如圖A與圖B，主要應用於鉚釘直徑4mm以下應用，半熱塑性塑膠難以使用此種形式，因為融化塑膠無法定型，焊頭頂端加上中央尖頂便可幫助固定塑型，超音波能量能大量集中於尖頂並且幫助融化塑膠，短焊接時間與適當下壓力即可達成。

E用於中央有尖端的鉚釘，融化塑膠並使塑膠適當成形，鉚釘尖端必須銳利，最大直徑0.2mm，此設計適用於有加玻璃纖維的塑膠。同一平面上的多個鉚接梢（直徑最大4mm）可以使用平面焊頭一次完成鉚釘的焊接，即使兩件定位不準確也不受影響。

圖C及圖D的尖端設計適合用於所有直徑2～8mm左右的熱塑性塑膠及鉚釘。

F及G型僅限使用於產品內部加工，不建議應用於外觀件。

部分半熱塑性塑膠及較大的鉚釘需要其他步驟來輔助融化，利用菱形焊頭可以成功達成任務，此種形式一般常用於固定電子工程的金屬件，不強調接合強度。

直徑大於6mm的鉚釘，推薦使用如H圖的中空尖頂，除減少融化塑膠累積，亦可隱藏而射出注料孔，需要被融化的塑膠量減少，可節省能量需求及縮短焊接時間。

以上僅提供概略參考，與個案實際應用狀況之間仍有差距。

夾焊 Flanging

夾焊技術沿自金屬加工，重要特徵是利用超音波能量融化塑膠，於流體相階段塑型。

典型應用方法如右圖，設計者可相對自由的設計flange接合處形狀。

因為兩者材質的熱擴張性不同，即使接合處準確度極高，仍無法達到氣密。如果需要氣密，必須加入熔封件。另一圖表示為達氣密，在接合處加入O環。

當軟材質焊接時，通常會有無法預期的溢料產生，夾焊flanging可作為傳統焊接的替代方案。

埋植 Embedding

超音波埋植是一個非常有效率但很少應用於接合兩個固定形狀的產品，殼件壁厚及接合處的肋材藉由焊頭高頻振盪摩擦融化，而且被擠入下凹處或孔洞中。如此可達成絕緣包覆。

埋植焊接產品設計原則

利用過去處理熱固性塑膠的技術，如壓力塗層或擠出貼合，來結合金屬與塑膠，此方法也會應用在熱塑性塑膠射出。但考慮到此處理過程中可能產生的型變及耐久性，此方法不經濟也無法達到好的外觀品質。原因包括：

金屬件必須預熱
在射出模中放置金屬片非常昂貴，無論使用人工或是機器手
更甚，人工放料會使射出成形時間不一定，影響射出塑膠品質
製造插入件的誤差必須要求在不切實際的範圍內
擠出貼合方法則會因塑膠冷卻固化的收縮而影響產品均一度

應用上述方法製作的加工件容易斷裂，曾有人試圖增加植入金屬周圍塑膠的強度，但卻影響塑膠射出冷卻時間。

具有高應力/應變比的塑膠，例如PS，容易因外力折斷，其他熱塑性塑膠亦然。因為氣候或化學物質脆裂，無法長期使用。使用超音波埋植的種種原因中，不可忽略的是節省成本，基於上述原因，有經驗的設計者應該放棄應用在塑膠射出過程中加入金屬件的製程，而使用超音波埋植。

超音波金屬埋植設計原則：

參考直徑(A)，準確的定位金屬件，此區深度必須足夠，埋植的金屬件深度不可超過此區。而且此直徑必須與盲孔徑相同以阻擋融化的塑膠直接流入下面空腔，而不是先填滿凹處。
底切 Undercut(B)，讓融化塑膠填滿的凹處，塑膠冷卻固化後，垂直方向固定植入金屬件以承受拉拔力。
咬花(C)或縱向槽，藉由扭力固定已植入的金屬件，非銳利邊緣。邊緣尖銳的邊緣容易使塑膠脆裂，必須避免。