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두 열가소성 플라스틱 부품의 초음파 용접은 초음파 진동이 용접헤드를 통하여 조립품의 상반부에 전달되어야 하며 마지막에 두 부분의 결합된 부분 또는 경계부분에 전달되어야 한다 . 이 과정에서 진동에너지는 열에너지로 전환되어 플라스틱을 용해하는데 사용되며 진동이 멎은 후 플라스틱은 압력을 받아 고체화되고 결합면에서 용접이 이루어진다 .
두 결합표면의 디자인은 최적 용접효과를 얻는데 있어서 아주 중요하다 . 연결 디자인에는 다양한 방법이 있으며 매 방법마다 자기만의 특색과 장점이 있다 . 각종 디자인의 사용은 플라스틱 유형 , 부품의 기하형태 , 용접 요구 ( 즉 점성 , 강도 , 밀봉 등 ) 와 같은 다양한 요소에 의해 결정된다 .
고정장치 :
플라스틱 초음파 용접에서 한가지 중요한 요소는 고정장치이다 . 고정장치의 주요용도는 부품을 고정시켜 용접헤드와 조준시키고 조립품을 적당히 지탱시켜 주는 것이다 . 용접 재질 , 부품의 기하형태 , 벽 두께와 부품의 대칭성은 에너지가 경계부분으로 전달되는 것에 영향을 미치므로 고정장치를 설계할 때 반드시 감안해야 한다 .
리벳용접 및 삽입용접과 같은 어떤 용도에서는 용접헤드의 접촉부위 아래에 딴딴한 받침장치가 있어야 한다 . 알루미늄 재질의 고정장치는 필요한 강도를 제공할 수 있으며 크롬 도금하여 부품에 기스가 나는 것을 방지하거나 내마모성을 향상시킬 수 있다 .
일부 용도 중에서 고정장치는 연결부위의 이상 상태가 발생할 것을 감안하여 반드시 일정 정도의 탄력성을 갖고 있어야 한다 . 이상상태는 보통 가장 잘못된 결합부위에 나타나게 되는데 이는 용접을 해야 할 부분이다 . 하지만 일부 부품 재질과 기하형태에 따라 결합된 두 부분이 하나의 완전한 동일체로 되어 상하로 동시에 진동할 수 있다 . 이러한 상황이 발생할 경우 연결홈을 강성 재질에서 탄력성 재질로 바뀌거나 경도계를 연성 재질에서 다른 재질로 바뀌며 흔히 연결부위에서 충분히 이상상태를 다시 구축할 수 있다 .
간단한 실험성 고정장치는 목재 , 에폭시 수지 또는 소석고로 구축할 수 있다 . 더욱 정밀하고 수명이 긴 고정장치는 알루미늄 , 강철 , 황동 , 사출성형카르바민산에틸 또는 기타 탄력성 재질을 사용해야 한다 . 고정장치의 디자인은 고정장치의 쾌속 해체로부터 간단한 금속판까지 그 범위가 넓다 . 고정장치의 디자인은 통상적으로 응용하는 요구와 생산효율에 의해 결정된다 .
용접 :
그림 10 은 간단한 맞댐용접 연결과 에너지 유도 부분이 있는 이상적인 연결의 시간 — 온도곡선을 표시한다 . 에너지 유도 부분은 빠른 용접을 하는 것을 허용하며 그와 동시에 최대 강도에 달하게 된다 . 유도 부분의 재료는 그림에서와 같이 전반 결합부위에서 유동한다 .
그림 11 은 용접하기 전에 요구한 비례에 따라 에너지 유도 부분을 설계하여 용접 및 초래되는 재료의 유동을 개선하는 것이다 . 부속품 사이즈는 선택할 때 그림에서와 같이 에너지 유도 부분이 용해된 후 결합면 사이에 완전히 분포될 수 있도록 한다 . 통상적으로 쉽게 용접할 수 있는 수지 에너지 유도 부분의 경우 최소높이가 0.010 인치 (0.25 밀리미터 ) 이다 . 결정체형 , 저강도나 고용해온도의 비결정체형 ( 예컨대 폴리탄산에스테르 , 폴리술폰 ) 수지와 같은 강한 에너지가 필요한 일부 수지의 경우 , 비교적 강한 에너지 지향 부분이 필요한데 최소높이는 0.020 인치 (0.5 밀리미터 ) 이다 . 부속품 사이를 정연하게 배열하는 방법 중에서 고정핀이나 콘센트와 같은 것들은 부속품 설계에 포함되어야 한다 .
반드시 지적해야 할 것은 용제를 이용한 용접밀봉 설계는 일반적으로 수정할 수 있으며 초음파 용접 요구에 부합되어야 한다 .
주의점 :
에너지 유도 부분의 디자인에서 전형적인 착오는 결합면을 45 도의 경사면으로 깎는 것이다 . 그림 12 는 이러한 결과를 잘 보여주고 있다 .
그림 13 에서는 정연하게 배열하기 쉬운 계단식 연결을 보여주고 있다 . 이러한 연결의 디자인은 측면에 과다한 용해물이나 원료가 넘쳐흘러서는 안될 경우에 사용하는 것이 적합하다 .
장부홈연결방법 : ( 그림 14)
용접을 하거나 내외소각을 방지하는데 사용된다 . 하지만 장부혀양측의 간격을 유지하여 사출성형 제조가 어렵도록 해야 한다 . 테이퍼형식은 사출성형 실천경험에 근거하여 수정할 수는 있지만 부품 사이에 어떠한 문제도 발생하지 않도록 해야 한다 .
그림 15 는 초음파 용접에 적용되는 각종 기본 에너지 유도 연결방법으로 전형적인 연결부분의 참고로 사용할 수 있으며 구체적인 용도에 대해서는 약간의 수정을 거쳐야 한다 .
그림 16 은 빈틈없는 밀봉용접을 해야 할 때 사용하는 전단 연결방법으로 결정체형 수지 ( 나이론 , 폴리포름알데히드 , 열가소성 폴리에스테르 , 폴리에틸렌 , 폴리프로필렌 , 폴리페닐티오 ) 에 특히 적합하다 . 결정체형 수지는 고체상태에서 용해되는 것이 신속하고 온도 범위가 좁으므로 에너지 유도식 연결방법은 최적의 방법이 아니다 . 그 이유는 유도 부분에서 오는 용해 수지가 상호 결합할 수 있는 표면과 용합되기 전에 신속히 응고되기 때문이다 .
전단 연결방법의 용접 방법 :
먼저 접촉하기 시작한 작은 범위를 용해시킨 후 수직벽을 따라 지장주는 부분을 계속 용해시켜 부품을 한군데에 압축시킬 수 있다 . 자체위치를 측정하는데 편의를 도모하기 위하여 인입포트가 필요하며 필요시에는 넘쳐난 용액을 취합하는 장치를 설치할 수 있다 .
연결 강도는 용접 이음새의 수직 사이즈 ( 용접 깊이 ) 와 관련되며 , 조절하여 응용 요구에 적합시킬 수 있다 . 부품 강도를 초과하는 연결 강도의 경우에는 깊이를 벽두깨의 1.25 배로 할 것으로 권장한다 .
연결에 전형적인 지장을 주는 범위에 대하여 다음 표와 같이 열거하였다 :
| 零件最大尺寸 |
每侧阻碍范围 |
零件尺寸公差 |
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小于0.75英寸
（18毫米）
0.75英寸至1.50英寸
（18毫米至35毫米）
大于1.50英寸
（35毫米） |
0.008英寸至0.012英寸
（0.2毫米至0.3毫米）
0.012英寸至0.016英寸
（0.3毫米至0.4毫米）
0.016英寸至0.020英寸
（0.4至0.5毫米） |
±0.001英寸
（±0.025毫米）
±0.002英寸
（±0.05毫米）
±0.003英寸
（±0.075毫米） |
부분 부품의 벽은 반드시 고정장치를 사용하여 용접 이음새에 지탱시켜야 하며 고정장치는 반드시 이 부품의 외부 윤곽과 서로 맞물리게 하여 용접 압력하에 바깥쪽으로 굽는 것을 막아야 한다 . 윗부분 부품은 가급적 얇아야 하며 사실 커버와 비슷한데 이는 안쪽으로 굽는 것을 막아야 한다 . 중간벽 연결의 경우 가장 좋은 방법으로는 그림 17 에 표시된 장부홈 연결방법이다 . 이러한 연결방법은 큰 부품에 있어서도 유용하다 . 그림 18 은 각종 기본 전단연결 설계이다 .
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