超声波焊接结构及超声波焊接方法与流程

本发明涉及塑料焊接技术领域，特别是涉及一种超声波焊接结构及超声波焊接方法。

背景技术：

目前，pc、ps、abs、pmma等透明脆性塑料做为具有可观测、密封功能的零件，此类零件需要用加热方法的使两个塑料件的接触面同时熔结合成一个整体。采用加热方法使两个塑料件的接触面同时熔化，从而使它们结合成个整体的连接方法称为塑料焊接，且仅适用于热塑性塑料连接，并且塑料焊接需要用到超声波塑料焊接技术。

进一步地，超声波塑料焊接是指超音波超高频率振动的焊头作用于热塑性的塑料接触面，启动超声波机发出频率20～40千赫的超声波振动，这种达到一定振幅的高频振动，经换能器把大功率振动信号转换为相应的机械能，施加于所需焊接的两个塑料件的焊区，由于焊区，即，两个塑料件的交界面处声阻大，塑料件接合处剧烈摩擦瞬间产生高热量，又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。

然而，由于pc、ps、abs、pmma等材料比热容大，有密封要求的产品密封面积往往比较大，超声波焊接需要更多的热量才能达到材料的熔点，因此采用超声波焊接难度大。从超声波焊接工作原理可知：加大功率或增加焊接时间可产生更高的热量，然而加大功率意味着需要增加设备的投入；增加焊接时间意味着超声波焊头压力长时间施加于产品上，易造成在两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的现象，影响产品外观，存在不能保证一次性完全密封的弊端，并且增加焊接时间对焊有密封要求的产品焊接密封不良率偏高。

技术实现要素：

基于此，有必要设计一种能够缩短超声波焊头作用于塑料件的时间，以减少超声波焊头长时间挤压在焊接面上而造成两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的问题，以及能够起到较好的密封焊接粘合效果的超声波焊接结构。

一种超声波焊接结构，包括：塑料件、塑料护盖及金属线圈，所述塑料件上开设有超声波凹槽，所述塑料护盖上设置有超声波凸檐，所述金属线圈容置于所述超声波凹槽内，所述塑料护盖设置于所述塑料件上，所述超声波凸檐嵌置于所述超声波凹槽内，且所述超声波凸檐与所述金属线圈相顶持；

所述金属线圈上分别开设有多个第一凹痕及多个第二凹痕，各所述第一凹痕分别用于与所述超声波凹槽的底面相抵持，各所述第二凹痕分别用于与所述超声波凸檐的底面相抵持。

在其中一个实施例中，所述金属线圈为铁线圈、铜线圈或不锈钢线圈。

在其中一个实施例中，所述金属线圈的横截面为圆形、菱形或矩形。

在其中一个实施例中，所述塑料件包括塑料底座及内封组件，所述超声波凹槽开设于所述塑料底座上，所述内封组件设置于所述塑料底座上，所述超声波凹槽围绕所述内封组件设置；

所述塑料护盖包括盖体及超声波凸檐，所述超声波凸檐设置于所述盖体上；

所述超声波凸檐嵌置于所述超声波凹槽内，所述盖体与所述塑料底座连接，且所述塑料底座与所述盖体用于共同封装所述内封组件。

在其中一个实施例中，所述金属线圈位于所述超声波凹槽的中部位置处，所述金属线圈与所述超声波凹槽的内侧壁之间留有间隙。

在其中一个实施例中，各所述第一凹痕相互平行设置，且各所述第一凹痕之间的距离相等；

各所述第二凹痕相互平行设置，且各所述第二凹痕之间的距离相等。

一种超声波焊接方法，包括如下步骤：

s100：对所述金属线圈的上表面及下表面进行成痕操作，以用于在所述金属线圈的上表面形成多个第一凹痕，以及用于在所述金属线圈的下表面形成多个第二凹痕；

s200：将所述金属线圈放入至所述塑料件的所述超声波凹槽内，并使各所述第一凹痕分别与所述超声波凹槽的底面相抵持；

s300：将所述的所述超声波凸檐嵌置在所述塑料件的所述超声波凹槽内，并使各所述第二凹痕分别与所述超声波凸檐的底面相抵持；

s400：将所述超声波焊接机的焊接头顶持在所述塑料护盖上，以对所述金属线圈的下表面与所述超声波凹槽的底面之间，以及所述金属线圈的上表面与所述超声波凸檐的底面之间进行摩擦焊接操作，用于使得所述塑料件、所述金属线圈及所述塑料护盖焊接在一起。

在其中一个实施例中，所述超声波焊接机的工作频率为20千赫～40千赫。

在其中一个实施例中，在所述s400步骤之前以及所述s300步骤之后，还包括如下步骤：将所述塑料件的塑料底座固定在定位治具上，并使所述超声波焊接机的焊接头位于所述塑料护盖的盖体的正上方。

在其中一个实施例中，所述成痕操作为采用刀具切割所述金属线圈，或者为采用冲头冲压所述金属线圈，以得到所述第一凹痕以及所述第二凹痕。

上述超声波焊接结构通过设置塑料件、塑料护盖及金属线圈，所述金属线圈容置于所述超声波凹槽内，所述超声波凸檐嵌置于所述超声波凹槽内，且所述超声波凸檐与所述金属线圈相顶持，通过在两个塑料件，所述塑料件与所述塑料护盖之间增加比热容较低的所述金属线圈，由于所述金属线圈的比热容仅为pc、ps、abs、pmma等材料的1/3左右，因此采用超声波焊接，在相同的条件下所述金属线圈发热升温更快更高，导热更快且均匀，可以在较短时间温度内达到塑料件的熔点温度，并传递到所述金属线圈与所述塑料件的接触面及所述金属线圈与所述塑料护盖的接触面使之局部快速熔化，使所述塑料件与所述塑料护盖分子交替熔合，能够起到较好的密封焊接粘合效果，达到快速焊接的效果，从而能够缩短超声波焊头作用于塑料件的时间，以减少超声波焊头长时间挤压在焊接面上而造成两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施方式的超声波焊接结构的爆炸图；

图2为图1所示的超声波焊接结构的塑料件的结构示意图；

图3为图1所示的超声波焊接结构的塑料护盖的结构示意图；

图4为图1所示的超声波焊接结构的金属线圈的结构示意图；

图5为本发明一实施方式的超声波焊接结构在焊接前的结构示意图；

图6为本发明一实施方式的超声波焊接结构位于超声波焊接机上的结构示意图；

图7为本发明一实施方式的超声波焊接结构在焊接后的结构示意图；

图8为本发明一实施方式的超声波焊接方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，其为本发明一实施方式的超声波焊接结构10的结构示意图，超声波焊接结构10包括：塑料件100、塑料护盖200及金属线圈300，请参阅图2，所述塑料件100上开设有超声波凹槽101(如图2的100a所示，100a为超声波凹槽的局部放大图)，请参阅图3，所述塑料护盖200上设置有超声波凸檐210(如图3的200a所示，200a为超声波凸檐的局部放大图)，请参阅图5，所述金属线圈300容置于所述超声波凹槽101内，所述塑料护盖200设置于所述塑料件100上，所述超声波凸檐210嵌置于所述超声波凹槽101内，且所述超声波凸檐210与所述金属线圈300相顶持，即，所述金属线圈放置于所述超声波凹槽内，所述塑料护盖放置在所述塑料件上，所述超声波凸檐与所述超声波凹槽相对应设置，即，所述超声波凸檐嵌置于所述超声波凹槽内，且所述金属线圈与所述超声波凸檐相顶持。

相比于现有技术中的塑料焊接，利用加热的方法使两个塑料件的直接接触面同时熔化结合成一个整体，由于由于pc、ps、abs、pmma等材料比热容大，有密封要求的产品密封面积往往比较大，超声波焊接需要更多的热量才能达到材料的熔点，因此采用超声波焊接难度大。从超声波焊接工作原理可知：加大功率或增加焊接时间可产生更高的热量，然而加大功率意味着需要增加设备的投入；增加焊接时间意味着超声波焊头压力长时间施加于产品上，易造成在两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的现象，影响产品外观，存在不能保证一次性完全密封的弊端，并且增加焊接时间对焊有密封要求的产品焊接密封不良率偏高。

需要说明的是，本发明中在不增加设备投入的前提下，通过在两个塑料件，即，所述塑料件与所述塑料护盖之间增加比热容较低的所述金属线圈，由于所述金属线圈的比热容仅为pc、ps、abs、pmma等材料的1/3左右，因此采用超声波焊接，在相同的条件下所述金属线圈发热升温更快更高，导热更快且均匀，可以在较短时间温度内达到塑料件的熔点温度，并传递到所述金属线圈与所述塑料件的接触面及所述金属线圈与所述塑料护盖的接触面使之局部快速熔化，使所述塑料件与所述塑料护盖分子交替熔合，能够起到较好的密封焊接粘合效果，达到快速焊接的效果，从而能够缩短超声波焊头作用于塑料件的时间，以减少超声波焊头长时间挤压在焊接面上而造成两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的问题。

请一并参阅图4及图5，需要进一步说明的是，所述金属线圈300上分别开设有多个第一凹痕(图未示)及多个第二凹痕310，各所述第一凹痕分别用于与所述超声波凹槽101的底面相抵持，各所述第二凹痕310分别用于与所述超声波凸檐210的底面相抵持，这样，通过在所述金属线圈上分别设置多个所述第一凹痕及多个所述第二凹痕以增加所述金属线圈与所述塑料件及所述塑料护盖的接触面积及接触面的粗糙程度，以加大所述金属线圈与所述塑料件及所述塑料护盖之间的摩擦力，摩擦力增大了，使得在摩擦力的作用下的接触面能够较快发热升温。

一实施例中，所述金属线圈为铁线圈、铜线圈或不锈钢线圈，需要说明的是所述金属线圈可根据不同的使用要求采用铁、铜、不锈钢等低比热容金属材料而制成，但又不仅限于铁线圈、铜线圈或不锈钢线圈。又如，所述金属线圈的横截面为圆形(如图4的300a所示，300a为金属线圈的圆形横截面的局部放大图)、菱形或矩形，所述金属线圈的横截面也可以为三角形或者四边形以上的多边形结构。

一实施例中，所述金属线圈位于所述超声波凹槽的中部位置处，所述金属线圈与所述超声波凹槽的内侧壁之间留有间隙，这样，在所述金属线圈受热后，所述超声波凸檐的底面上与所述金属线圈接触的位置及与所述超声波凹槽的底面上与所述金属线圈接触的位置会发生熔融的粘合状态，进而熔融的塑料会将所述金属线圈包住，所述金属线圈而不会融化到所述超声波凹槽的内侧壁，较好地保护了所述超声波焊接结构的主体结构。又如，各所述第一凹痕相互平行设置，且各所述第一凹痕之间的距离相等；各所述第二凹痕相互平行设置，且各所述第二凹痕之间的距离相等。

一实施例中，请参阅图2，所述塑料件100包括塑料底座110及内封组件120，所述超声波凹槽101开设于所述塑料底座110上，所述内封组件120设置于所述塑料底座110上，所述超声波凹槽101围绕所述内封组件120设置；请参阅图3，所述塑料护盖200包括盖体220及超声波凸檐210，所述超声波凸檐210设置于所述盖体220上；请参阅图5，所述超声波凸檐210嵌置于所述超声波凹槽101内，所述盖体220与所述塑料底座110连接，且所述塑料底座110与所述盖体220用于共同封装所述内封组件120，需要说明的是，所述超声波凸檐210嵌置于所述超声波凹槽101内，所述超声波凹槽对所述超声波凸檐起到一个限位的作用，所述盖体220与所述塑料底座110连接，即，所述盖体与所述塑料底座相顶持，所述内封组件即为封装于所述塑料底座及所述盖体内的组件，即，所述塑料底座及所述盖体共同将所述内封组件起来。

上述超声波焊接结构通过设置塑料件100、塑料护盖200及金属线圈300，所述金属线圈300容置于所述超声波凹槽101内，所述超声波凸檐210嵌置于所述超声波凹槽101内，且所述超声波凸檐210与所述金属线圈300相顶持，通过在两个塑料件，即，所述塑料件与所述塑料护盖之间增加比热容较低的所述金属线圈，由于所述金属线圈的比热容仅为pc、ps、abs、pmma等材料的1/3左右，因此采用超声波焊接，在相同的条件下所述金属线圈发热升温更快更高，导热更快且均匀，可以在较短时间温度内达到塑料件的熔点温度，并传递到所述金属线圈与所述塑料件的接触面及所述金属线圈与所述塑料护盖的接触面使之局部快速熔化，使所述塑料件与所述塑料护盖分子交替熔合，能够起到较好的密封焊接粘合效果，达到快速焊接的效果，从而能够缩短超声波焊头作用于塑料件的时间，以减少超声波焊头长时间挤压在焊接面上而造成两个塑料件的接触面处出现开裂或发白的问题。

本发明还公开了一种超声波焊接方法，请参阅图8，其为本发明的超声波焊接方法的步骤流程图，所述超声波焊接方法包括如下步骤：

s100：对所述金属线圈的上表面及下表面进行成痕操作，以用于在所述金属线圈的上表面形成多个第一凹痕，以及用于在所述金属线圈的下表面形成多个第二凹痕。

请参阅图4，通过所述步骤100，能够在所述金属线圈300上形成多个第一凹痕及多个第二凹痕310，这样，通过在所述金属线圈上分别设置多个所述第一凹痕及多个所述第二凹痕以增加所述金属线圈与所述塑料件及所述塑料护盖的接触面积及接触面的粗糙程度，以加大所述金属线圈与所述塑料件及所述塑料护盖之间的摩擦力，摩擦力增大了，使得在摩擦力的作用下的接触面能够较快发热升温。

进一步地，所述金属线圈的表面经过粗糙化处理(如图4的300b所示，300b为金属线圈的表面经过粗糙化处理的局部放大图)，即，在所述金属线圈上分别设置多个所述第一凹痕及多个所述第二凹痕，以加大接触面积及接触面的粗糙程度以增加接触面间的摩擦力。

为了更好地加大接触面积及接触面的粗糙程度以增加接触面间的摩擦力，例如，所述金属线圈为长方环状线圈，所述第一凹痕为十字凹痕，所述十字凹痕包括横向凹痕和竖向凹痕，所述横向凹痕和所述竖向凹痕相互垂直，所述竖向凹痕与所述金属线圈的长边平行，所述横向凹痕与所述金属线圈的短边平行，所述竖向凹痕的长度大于所述横向凹痕的长度，如此，十字凹痕结构的所述第一凹痕能够更好地加大接触面积及接触面的粗糙程度以增加接触面间的摩擦力；进一步地，所述第一凹痕与所述第二凹痕的形状结构相同，如此，在摩擦焊接时，使得所述塑料护盖的超声波凸檐被摩擦熔化产生的溶胶以及所述塑料件的所述超声波凹槽的底面被摩擦熔化产生的溶胶向所述超声波凹槽的侧壁流动，这是因为被摩擦熔化产生的溶胶通过所述竖向凹痕流向所述超声波凹槽的侧壁流动。

s200：将所述金属线圈放入至所述塑料件的所述超声波凹槽内，并使各所述第一凹痕分别与所述超声波凹槽的底面相抵持。

请参阅图5，通过将所述金属线圈300放入至所述塑料件100的所述超声波凹槽内，并使各所述第一凹痕分别与所述超声波凹槽的底面相抵持，能够更顺利地进行后续的摩擦焊接。

s300：将所述超声波凸檐嵌置在所述塑料件的所述超声波凹槽内，并使各所述第二凹痕分别与所述超声波凸檐的底面相抵持。

请参阅图5，所述超声波凹槽对所述超声波凸檐起到限位的作用，与此同时，所述金属线圈被所述超声波凸檐及所述超声波凹槽包围住，即，所述超声波凸檐将所述金属线圈压紧在所述超声波凹槽内。

s400：将所述超声波焊接机的焊接头顶持在所述塑料护盖上，以对所述金属线圈的下表面与所述超声波凹槽的底面之间，以及所述金属线圈的上表面与所述超声波凸檐的底面之间进行摩擦焊接操作，用于使得所述塑料件、所述金属线圈及所述塑料护盖焊接在一起。

进一步地，在步骤s400中，所述塑料件包括塑料底座及内封组件，所述超声波凹槽开设于所述塑料底座上，所述内封组件设置于所述塑料底座上，所述超声波凹槽围绕所述内封组件设置；所述塑料护盖包括盖体及超声波凸檐，所述超声波凸檐设置于所述盖体上；所述超声波凸檐嵌置于所述超声波凹槽内，所述盖体与所述塑料底座连接，且所述塑料底座与所述盖体用于共同封装所述内封组件，所述内封组件包括内封板体及内封柱体，所述内封板体设置于所述塑料底座上，所述内封板体开设有安装孔，所述塑料底座开设有真空抽气通道，所述内封柱体设置于所述塑料底座上，且所述内封柱体容置于所述安装孔内，所述内封柱体为中空结构，所述内封柱体与所述真空抽气通道连通；当开启所述超声波焊接机进行所述摩擦焊接操作时，还对所述真空抽气通道进行抽气操作，以使所述塑料件、所述金属线圈及所述塑料护盖共同形成的密闭空间内产生负压，如此，在进行所述摩擦焊接操作时，所述密闭空间内产生负压，能够使得所述塑料护盖的所述超声波凸檐更好地压紧所述金属线圈，同时也能够使得所述塑料件的所述超声波凹槽的底面更好地压紧所述金属线圈，亦即，使得三者形成较好地相互倾压作用力，在摩擦焊接时，使得所述塑料护盖的所述超声波凸檐被摩擦熔化产生的溶胶以及所述塑料件的所述超声波凹槽的底面被摩擦熔化产生的溶胶向所述超声波凹槽的侧壁流动，能够更好地使得被摩擦熔化产生的溶胶更好地填充所述超声波凹槽，同时，使得被摩擦熔化产生的溶胶更充分地与金属线圈接触，当摩擦熔化产生的溶胶冷却固化后，能够更好地包覆所述金属线圈，使得焊接后的结构的机械强度更高，进一步地，通过在摩擦焊接时，使得所述塑料护盖的所述超声波凸檐被摩擦熔化产生的溶胶以及所述塑料件的所述超声波凹槽的底面被摩擦熔化产生的溶胶向所述超声波凹槽的侧壁流动，能够更好地使得被摩擦熔化产生的溶胶更好地填充所述超声波凹槽，能够提高焊接效率。

一实施例中，所述超声波焊接机的工作频率为20千赫～40千赫。

又一实施例中，请参阅图8，在所述s400步骤之前以及所述s300步骤之后，还包括如下步骤：将所述塑料件的塑料底座固定在定位治具上，并使所述超声波焊接机的焊接头位于所述塑料护盖的盖体的正上方。

再一实施例中，所述成痕操作为采用刀具切割所述金属线圈，或者为采用冲头冲压所述金属线圈，以得到所述第一凹痕以及所述第二凹痕，所述第一凹痕以及所述第二凹痕主要用于增加所述金属线圈与所述超声波凸檐及所述超声波凹槽的接触面的粗糙程度，以加快摩擦产生热量的反应速度。

需要进一步说明的是，启动所述超声波机，使其发出频率20～40千赫的超声波振动，经换能器把大功率振动信号转换为相应的高频摩擦力，施加于所需焊接的所述塑料件与所述金属线圈的接触面及所述塑料护盖与所述金属线圈的接触面。在摩擦力的作用下所述超声波凸檐与所述金属线圈的接触面及所述超声波凹槽与所述金属线圈的接触面发热升温，由于所述金属线圈上分别开设有多个所述第一凹痕及多个所述第二凹痕，各个所述第一凹痕加大了所述超声波凹槽与所述金属线圈的接触面的摩擦力，各个所述第二凹痕加大了所述超声波凸檐与所述金属线圈的接触面的摩擦力，这样，请参阅图5，所需焊接的所述塑料件100与所述金属线圈300及所述塑料护盖200与所述金属线圈300的接触面在摩擦力的作用下接触面发热升温。

需要再次说明的是，请一并参阅图6及图7，所述金属线圈的比热容仅为塑料件的1/3，因此在相同热量作用下所述金属线圈升温最快，导热更快且均匀，并在短时间内上升到塑料件的熔点温度，将热量传递到与两个塑料件的接触面上，加快了与两个塑料件的接触面熔化时间，在超声波焊头20b持续施加的压力作用下所述超声波凹槽的底面与所述超声波凸檐的底面产生熔化的溢料交替熔合，此时所述金属线圈嵌入两个塑料件接触面之间。

将所述金属线圈放入所述塑料件的所述超声波凹槽内，再将所述塑料护盖的所述超声波凸檐朝下盖在所述塑料件上，且所述超声波凸檐与所述超声波凹槽相对应设置(如图5所示，图5为超声波焊接结构在焊接前的结构示意图)。最后，请参阅图6，将所述超声波焊接结构放在超声波机20的工作台20a预定位置，启动超声波机20发出频率20～40千赫的超声波振动，经换能器把大功率振动信号转换为相应的高频摩擦力，施加于所需焊接的所述塑料件与所述金属线圈及所述塑料护盖与所述金属线圈的接触面(如图5所示)，在摩擦力的作用下接触面发热升温，由于所述金属线圈的表面经过粗糙化处理(如图4的300b所示，300b为金属线圈的表面经过粗糙化处理的局部放大图)，即，在所述金属线圈上分别设置多个所述第一凹痕及多个所述第二凹痕，以加大接触面的摩擦力，同时所述金属线圈的比热容仅为塑料件的1/3，因此在相同热量作用下所述金属线圈升温最快，导热更快且均匀，并在短时间内上升到塑料的熔点温度，将热量传递到与两个塑料件接触面上，加快了与塑料件接触面熔化时间，在超声波焊头20b持续施加的压力作用下所述超声波凹槽的底面与所述超声波凸檐的底面产生熔化的溢料交替熔合(如图7所示，图7为超声波焊接结构在焊接后的结构示意图)，此时所述金属线圈嵌入两个塑料件接触面之间，由于熔化的溢料量少，冷却快，因此超声波焊头20b压力作用于产品时间短，避免了长超声波焊头20b压力长时间挤压在焊接面上造成开裂，发白的情况，并达到了密封焊接粘合的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。