超声波熔接技术用于电子体温计外壳的熔接

戚防义

（泰尔茂医疗产品（杭州）有限公司 杭州）

一、引言

根据客户的要求，公司需要生产面向日本医院的防水、一次性电子体温计。为此考虑利用超声波熔接技术的特性，使ABS材料的电子体温计外壳熔接在一起，达到防水的效果。机器选用日本精电社（ΣG-1200型）超声波熔接机。

二、超声波熔接技术

超声波熔接是一种干净、快捷、有效的装配工艺，用来装配处理热塑性塑料配件，及一些合成构件的方法。超声波熔接不但有连接装配功能而且具有防潮、防水的密封效果。塑料加工中所用超声波的几种工作频率有 15 kHz，18 kHz，20 kHz，40 kHz，超声波熔接工作原理是利用纵波的波峰位，传递振幅到焊接件的缝隙，在加压的情况下，两个被焊件接触部位的分子相互撞击产生熔化，使接触位熔合，达到熔接目的。

三、实施设计方法

1.水密性熔接条件的基本想法

涉及产品的条件：产品材料，ABS塑料；产品的熔线与产品定位方式，峰谷尖式；产品厚度，0.6～1 mm，内侧接触面高度1～3 mm。

2.产品和制具的定位

（1）制具的设计（图 1），夹具的受力点（图1A）；先端最后止住位置（图1B）；夹具开闭宽度（2 mm左右）；夹具内树脂形状与产品弧度一致。

（2）熔接杆和制具的关系，保持水平。

（3）下降速度。下降速度太快，使动态压力加上重力加速度将把超声波导熔线压扁，使导熔线无法发挥导熔的作用，形成假相熔接。

（4）熔接时间。熔接时间过长，不仅使塑料熔化，还可能造成塑料组织焦化，产生砂孔，水即由砂孔渗透而出。

图1 治具设计

图2 品质要求

（5）品质要求。熔接后，产品前后溢出状态一致（图2B位置）；切断熔接后实体状态(图2A)，要求产品前后间隙均等。

（6）从试做的熔接效果确定式样。熔接目标，0.73 mm（＋溢出0.1 mm）～0.68 mm内。熔解量在＞0.73 mm时，发生溢出。熔解量＜0.68 mm时，间隙不良。

（7）超声波熔接条件设定。熔接条件设定倾向见图3。

图3 熔接条件设定倾向图

3.熔接机动作流程和设定

产品熔接模拟图（图4），动作流程图（图5）。

4.设定良品条件和管理条件（上下限值）

（1）定出下沉量、振幅和破坏强度的关系，寻找最合适的振幅和下沉量。熔接相关的参数，压力、下沉量和振幅。3个参数中先假定压力上限0.14 MPa，中心0.12 MPa，下限0.1 MPa。使用压力上限0.14 MPa进行下沉量和振幅的确认，每个条件熔接10个产品，进行泄漏和破坏强度试验确认，试验数据以产品熔接强度为75 N为标准。数据和条件设定见图6。

（2）确认生产条件 OQ（Operational Qualification）（表 1）。强度保证、产品机能保证、外观无划伤保证。

图4 产品熔接模拟图

图5 动作流程图

图6 数据和条件设定

表1 生产条件设定组合

图7 熔接良品曲线

图8 超声波输入到PLC的信号

图9 PLC输入到超声波的信号

上下限产品按n=10(制作熔接半成品)进行相关确认：确认外观无划伤、无变形；确认强度，75 N无泄漏（前后各5本）；确认行破坏强度测量（前后各5本）。上上限／下下限条件，强度＞75 N；中心条件＞100 N。

分解上下限产品、进行基板检查；在振动情况下确认液晶显示没有问题。熔接良品曲线图见图7。

5.投产时决定的内容

根据实际生产的确认结果，进行下列①～④运用设定。①良品条件内的设备调整（OQ条件范围内）。②设备维持管理方法（夹具清扫、确认频率）③产品品质的维持，确定抽检方式。日常抽检，根据破断強度测量值来设定管理值。④按品种设定生产条件。由于品种不同、颜色不同其熔接状态会发生变化，设定不同的熔接条件。

6.设备实现熔接动作

（1）到熔接为止的设备动作顺序按下列流程。①工件安装?②开始PB?③夹具闭?④前进?⑤熔接?⑥后退?⑦夹具开。产品前后移动采用了IAI（型号）的电动执行器。

（2）通信。采用OMRON CJ1M CPU12型PLC。超声波设备与PLC的连接信号（图8、图9）

（3）设备动作的程序设计。主程序动作时序见图10。

图10 动作时序PLC程序

四、效果

按照以上设定，对不同品种不同颜色的电子体温计进行条件寻找和确认，确定了各自的生产条件。每种产品在相应条件下进行了初期流动，对生产出来的产品进行抽检，并对抽检的产品进行破坏试验，结果表明，泄漏、破坏强度指标都在设定范围内，满足了大量流动生产的需求。随着超声波技术的发展，在工业生产中，超声波熔接工艺在某些领域可取代溶剂粘胶机械及其他的粘接工艺，是一种先进的装配技术，运用将会越来越广泛。