超音波熔接 ─ 埋植螺絲塑膠柱破裂的可能原因

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左圖顯示超音波埋植螺母作業(ultrasonic welding)一段時間後發生塑膠柱破裂的情形。

公司產品設計非常喜歡使用超音波(Ultrasonic)來埋植螺絲母(INSERT)這類零件於塑膠柱上,然後再使用機械螺絲鎖緊兩個部件,但這種二次加工的工法通常需要有良好的塑膠射出品質,還要有一定的塑膠結構肉厚設計,與正確的超音波埋值手法等多方面的配合才能達到良好的超音波螺絲母熔接品質。

所以只要以上三個環節中任何的一個出了問題,那這個工藝就很有可能失敗,偏偏有些機構設計師就是很白目,老愛用最小的塑膠柱外徑來設計超音波埋值螺銅釘,等出了問題就怪罪組裝工廠的品質管理有問題,真的很給它OOXX。







使用超音波(大陸叫「超聲波」)埋值螺絲時,較常出現的問題通常是塑膠柱破裂(breaking)或發生裂縫(crack)等缺點。最傷腦筋的是,塑膠柱破裂及裂縫不是在超音波完成的當下發生,而是發生在超音波熔接後的一個星期或是更久的時間以後,有些還是鎖上螺絲以後才發生破裂。

ultrasonic_machine_insert01不幸的是,一般電子組裝廠在產品鎖上螺絲之後就不太有機會再來檢查螺絲柱是否有開裂的現象,所以問題通常是從客戶端反饋回來,或是電子組裝廠發現螺絲滑牙(滑絲)了才會警覺到這個問題。

當此類問題發生時,可以想見的重工及市場回收費用是很可觀的。所以有經驗及訓練有素的產線作業員,通常會抽檢超音波埋植螺絲的品質,並留意螺絲鎖緊的感覺是否異常。工廠的工程師也應該要求作業員隨時留意產線上的產品和以前有否異常,如有發現要馬上通知工程師作確認,以期將損失降到最低。

下面我們就試著來探討─發生塑膠超音波埋植螺絲柱破裂的可能原因及可用對策:

超音波焊接注意事項─螺絲母埋入

一、塑膠螺絲柱的內孔徑是否太小 (Screw boss inner-hole diameter):

通常埋植螺絲會刻意製造一些倒鉤(undercut)的螺紋,讓埋植零件擠壓進入內孔時可以承受一定的拉出力量,這些倒鉤與倒鉤間的空隙也可以順便讓擠壓多出來的塑膠獲得宣洩的空間。如果內孔徑太小的話,被擠出的塑膠量溢出且超出倒勾螺紋可以承受的最大值,就會造成塑膠柱鼓脹,最後在塑膠柱的中段部分形成破裂的現象。

二、塑膠螺絲柱的壁厚是否太薄 (Screw boss wall thickness) :

超音波作業是一邊施加壓力、一邊施以高頻震動,讓振動轉移至埋植螺絲,然後產生熱能並融化與埋植螺絲接觸的塑膠,壓力只是為了將埋值螺絲順利擠壓進入已經融化的塑膠孔中。但是在熱能還未完全融化塑膠前,塑膠孔還是得承受來自燒音波Honor的一定的壓應力,如果塑膠孔壁厚太薄就會無法承受壓力而破裂。可以考慮降低焊頭(honor)下降的速度及減輕其壓力。

比較好的塑膠柱壁厚設計至少要比埋植零件的半徑還要大才行。 

螺絲孔柱的壁厚 > 埋植螺絲的半徑  insert_boss01

三、塑膠螺絲柱的深度 (Screw boss depth):

由於埋植螺絲有一部分是使用壓力擠壓進去的,所以必須要在塑膠螺絲孔的底部預留一定的空間來承受因為擠壓而溢出的塑膠。

四、塑膠柱螺絲孔導角 (Screw boss countersink/counterbore design):

螺絲柱內孔前緣必須設計導角(chamfer),用以固定並導正埋植螺絲於螺絲孔上。

五、塑膠柱融合線 (Screw boss welding line):

如果破裂(crack)發生在螺絲柱的融合線(Welding line)上,就必須注意塑膠射出成型的條件是否恰當。

六、塑膠原料的熔融指數 (Plastic resin MFI):

MFI可以大致看出塑膠原料是否摻有二次料/回收料(re-grinding),含二次料的塑膠件會比較脆,也比較不耐衝擊力及應力,塑膠住破裂的機會將大大增加。可參考下面文章:
塑膠 MFI/MI/MFR (熔体指數/熔融指數)
為何塑膠使用回收二次料強度會降低
MFI與塑膠二次料/回收料的關係 (MFI & Re-grinding resin)

七、埋植螺絲的外徑 (Brass insert parts diameter):

同「塑膠螺絲柱的內孔徑太小」

八、埋植螺絲的倒勾花紋 (Brass insert parts knurl shape) :

花紋不對,所能承受多餘的擠出的塑膠量也就相對地不同。

九、治具設計 (Fixture design)


延伸閱讀:
常見的螺絲鎖緊問題與對策
簡介各種超音波的不同應用
瞭解超音波熔接機的操作與參數
【螺絲】與【塑膠柱】的設計原則
超音波熔接 ─ 正向/反向螺絲埋植工法注意事項
介紹超音波熔接的原理 (Ultrasonic Welding)
各種螺絲埋植法比較(超音波埋植、埋入射出、熱壓埋植)




訪客留言內容(Comments)

請問一下
目前埋銅釘大多都是用熱熔的方式,有什麼須要考量的地方嗎?

alvintseng;
關於你問到「熱熔」埋植螺釘的問題,我整理了我的經驗與心得,放在這篇文章中給您參考,因為有些匆忙,所以內容可能不甚完整,有機會再補充吧!
http://www.researchmfg.com/2011/04/heat-stack-process-notices/

請教一下,被埋入的塑膠件圓柱底部一定要有塑料填平嗎? 還是可以是通孔的圓柱? 謝謝

yu,
基本上沒有這個限制。但埋入射出的銅釘要看模具能否設計得出來,還有埋入銅釘的強度是否符合實際應用需求。

熊大,有看過您提過,埋射的塑膠柱外徑一般是銅螺母外徑的1.5倍,還有附張圖,剛好塑膠柱外徑等於1.5內徑。
所以在設計階段,設計要作埋射銅螺母的塑膠柱,其內徑是恰好等於銅螺母的外徑嗎?(跟熱熔,超音波要略小不一樣)

yu;
基本上在3D將其內徑設計成等於銅螺母外徑就可以了,剩下的模具廠會去處理,但是要標注埋入射出螺母,因為不論你設計多少,只要是埋入射出螺母,模具上這裡都只會設計成可以放螺母的機構而已。

多謝熊大回覆,想再確認一個。
所以假如我想用m3外徑約為4.6的銅螺母。
如果打算作超音波埋植,塑膠柱的內徑3d上可能就設計約為4;可是如果我想改用埋射的,3d圖檔上的內徑就需改為4.6。是嗎?

Yu;
關於超音波的內徑設計建議你找Insert的廠商建議,不同材質的塑膠與不同的Insert會有不同的要求。

了解 謝謝熊大


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