CN113546231B - 一种高耐久的超声结构焊接及血液净化器 - Google Patents

Abstract

一种高耐久的超声结构焊接，包括顶剪切熔接部(30)和侧剪切熔接部(40)，所述剪切熔接部(30)藉由斜肩部(12)和导能凸缘(22)沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成，所述侧剪切熔接部(40)藉由内螺棱(13)和外螺棱(23)沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成；所述顶剪切熔接部(30)和侧剪切熔接部(40)在一次焊接程序中同时形成。所述高耐久的超声结构焊接,一次超声焊接操作同时实现环形的顶剪切熔接部和侧剪切熔接部，首次采用螺旋形的剪切熔接面协同辅助环形的剪切熔接面，大大增强了焊接强度的超声结构焊接。

Description

一种高耐久的超声结构焊接及血液净化器

技术领域

本发明涉及塑料件焊接的技术领域，具体涉及一种高耐久的超声结构焊接及血液净化器。

背景技术

对于中空纤维膜式血液净化器，通常用聚氨酯等灌封材料将中空纤维膜束两端形成血透模块并将该血透模块固定在主体管容器中，主体管容器轴向两端超声焊接有入口积液管和出口积液管，主体管容器垂直于轴向一体成型有侧端口。来自人体的待透析血液从入口积液管进入血透模块的中空纤维，再从另一端的出口积液管流出回到人体，透析液从下侧端口流入主体管容器内腔，从中空纤维之间流过，从上侧端口流出，血液中的废物、过剩的电解质和水透过中空纤维进入透析液，随同透析液排出血液外。入口积液管、出口积液管与主体管容器的超声焊接要求液密性和气密性。

超声焊接装置通过超声焊头将两个塑件的重叠部分压在砧座上，同时施加超声振动和压力将两塑件连接。入口积液管、出口积液管与主体管容器的超声焊接,正确的接头设计对于获得最佳焊接结果至关重要。除此之外，通常容易出现如下问题：

(1)没有达到预期的焊接强度。(2)气密性或液密性不佳问题。(3)制品中有裂纹发生。裂纹发生往往是超声波振动引起的共振破坏导致。为校核焊接接口的连接强度及气密性,通常通过液压试验来检验制件的气密性、承压能力和爆破压力。(4)飞边发生。飞边产生主要出现在焊接线溢出位置。(5)表面划伤，因超声头的施压，焊接件表面会被划伤。飞边和划伤主要影响产品外观。

总之，超声焊接强度较低，不适用于高耐久的结构焊接。

江苏亚旭电子江苏有限公司公开了一种超声熔接结构(TW201341093A，公开日：2013年10月16日)，熔接面由竖直面改为倾斜平面，以供将一第一构件10沿一压合方向A压合並熔接结合至一第二构件20，該超音波熔接结构包含：熔接面11，形成于该第一构件及该第二构件的其中一者，该熔接面相对该压合方向为倾斜平面；及导能凸缘22，是与该熔接面相对应並形成于该第一构件及该第二构件的其中另一者，用以当该第一构件沿该压合方向压合于该第二构件时，该导能凸缘对应该熔接面产生一接触压力，並藉由超声波熔融接合該第一构件与該第二构件。即通过倾斜平面11对导能凸缘22施压同时超声熔融而结合，较好地消除了竖直圆周面连接不良的缺陷，增加了固结强度。实质是导能凸缘在演变为大面积的面接触前，将超声振动能量变为摩擦热而熔融形成倾斜熔接面，但是上述熔接结构仍然存在改进空间。

日本旭化成医疗株式会社公开了一种中空纤维膜式过滤器的积液管5与主体管容器2的超声焊接接头及焊接方法(JP2020179371A，公开日：2020年11月5日)，主体管容器端部设有榫槽52，榫槽52包括内环突50和外环突51，，内环突50设有下止斜面，积液管5的环形榫头22插入榫槽52时，外环突51的斜导面沿径向向内施加一外力从而最终形成W1和W3两处焊缝，以增加焊接强度，同时可以防止积液管5的顶面被划伤。但是，超声焊缝仍然有熔化层厚度太薄导致焊接强度不够的问题。

设计正确的接头结构，达到预期的焊接强度，保证气密性或液密性，同时，防止裂纹、飞边和表面划伤，形成高耐久的结构焊接，是超声焊接装置的关键技术难题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高耐久的超声结构焊接、超声焊接装置及其焊接方法，解决焊接强度低，气密性或液密性难以保证同时防止裂纹、划伤实现超声焊接工艺的问题。

本发明的目的是这样实现的，一种高耐久的超声结构焊接，以将第一构件的榫头沿压合方向A压合并熔接结合至第二构件的榫槽，包括

顶剪切熔接部，所述顶剪切熔接部藉由斜肩部和导能凸缘沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成，所述斜肩部一体成型于榫头的内环侧，所述导能凸缘一体成型于榫槽内壁顶部；

侧剪切熔接部，所述侧剪切熔接部藉由内螺棱和外螺棱沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成，所述内螺棱一体成型于榫头的内环侧，所述外螺棱一体成型于榫槽内壁外表面；

第一构件设有内肩止动部，第二构件设有止动环；

当斜肩部抵接导能凸缘时，内肩止动部距离止动环的顶面的距离为下压距离，内螺棱与相邻外螺棱之间在压合方向A上具有重叠部分，重叠部分的中点位置沿压合方向的宽度为剪切宽度；

所述顶剪切熔接部和侧剪切熔接部同时形成满足：

下压距离等于剪切宽度。

进一步地，当斜肩部接导能凸缘时，内螺棱螺旋抵接外螺棱同时榫头外壁抵接榫槽外壁的内表面，以使得榫槽外壁对榫头提供径向向心的施压力。

进一步地，榫头外侧设有至少3个定位凸棱，当斜肩部抵接导能凸缘时，所述定位凸棱抵接榫槽的外壁的内表面。

进一步地，外壁具有倾斜角度，所述倾斜角度使得外壁施加到榫头径向向心的施压力线性增加。

进一步地，榫头外侧表面粘结有环形的增强纤维布层。

进一步地，沿压合方向A，超声头对于第一构件施加振动的传振表面距离侧剪切熔接部沿压合方向的最低位置的传振长度小于等于6mm。

进一步地，斜肩部的倾斜角度α₁的范围选择为：15°≤α₁≤45°，导能凸缘的剪切过盈量的厚度S₀等于下压距离。

进一步地，所述内螺棱包括第二斜肩部，外螺棱包括第二导能凸缘，第二斜肩部(13.1)的倾斜角度比斜肩部的倾斜角度大。

进一步地，沿压合方向A，超声头对于第一构件施加超声振动的表面距离顶剪切熔接部小于第一构件的壁厚。

一种中空纤维膜式血液净化器，其特征在于，包括主体管容器，主体管容器轴向内孔贯穿地粘结有中空纤维管膜，作为第二构件的主体管容器轴向两端与作为第一构件的入口积液管和出口积液管具有所述所述高耐久的超声结构焊接。

所述高耐久的超声结构焊接，一次超声焊接操作同时实现环形的顶剪切熔接部和侧剪切熔接部，首次采用螺旋形的剪切熔接面协同辅助环形的剪切熔接面，大大增强了焊接强度的超声结构焊接，该超声结构焊接既能承受轴向拉伸冲击，也能承受侧向剪切冲击。

附图说明

图1为本发明一种气密性优异的超声熔接结构的中空纤维膜式血液净化器的主剖视图。

图2为本发明一种高耐久的超声结构焊接的实施例一焊接前的主剖视图。

图3为本发明一种高耐久的超声结构焊接的实施例一抵接时的主剖视图。

图4为本发明一种高耐久的超声结构焊接的实施例一超声焊接完成的主剖视图。

图5为本发明一种高耐久的超声结构焊接的实施例一抵接时的示意图。

图6为本发明一种高耐久的超声结构焊接的实施例二的抵接的示意图。

上述图中的附图标记：

1主体管容器,2入口积液管,3出口积液管

10第一构件，11榫头，12斜肩部，13内螺棱,14小径圆柱部,15内肩止动部,16大径圆柱部,17密封圈，18定位凸棱，19增强纤维布层

20第二构件，21榫槽，22导能凸缘，23外螺棱，24止动环

30顶剪切熔接部,40侧剪切熔接部

13.1第二斜肩部，23.1第二导能凸缘，21.2外壁，21.1内壁

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种高耐久的超声结构焊接，以将第一构件10的榫头11沿压合方向A压合并熔接结合至第二构件20的榫槽21，榫头11内壁依次设有大径圆柱部16、斜肩部12、小径圆柱部14和内肩止动部15，大径圆柱部16设有内螺棱13；榫槽21为内壁21.1和外壁21.2构成的环形凹槽。内壁21.1设有与所述内螺棱13配合的外螺棱23，榫槽内壁顶部内侧缘形成导能凸缘22，导能凸缘22沿压合方向能够抵接该斜肩部12并施加一抵接压力；榫槽21外壁设有止动环24；榫头11螺旋配合地旋入榫槽21直到斜肩部12抵接导能凸缘22启动超声振动同时下压直到内肩止动部15抵接止动环24的顶面而同时形成顶剪切熔接部30和侧剪切熔接部40；榫头的斜肩部12剪切导能凸缘22形成顶剪切熔接部30，该顶剪切熔接部30相对于压合方向A为与垂直于压合方向的平面成倾斜角度α₁的倾斜平面；导能凸缘22具有厚度S₀的剪切过盈量；沿压合方向的超声振动作用下内螺棱13不断剪切外螺棱23形成所述侧剪切熔接部40。当下压直到内肩止动部15抵接止动环24的顶面的过程，伴随由抵接压力线性增加至预定压力，该过程的控制由控制器完成。

关于旋入，外螺棱23旋入内螺棱13之间的螺旋槽，内螺棱的背侧螺旋面使得外螺棱下移。

榫头11外侧设有至少3个定位凸棱18，定位凸棱18突出榫头外表面至少0.3mm。定位凸棱18外表面定义一定位外径，榫槽21的外壁21.2的直径小于等于定位凸棱18的定位外径至少0.01mm，榫槽21的外壁21.2与定位凸棱18过盈配合。当斜肩部12抵接导能凸缘22时，所述定位凸棱18抵接榫槽的外壁21.2的内表面。设置定位凸棱18，大大减小了过盈配合的振动阻力，同时省去榫槽外壁21.2内必须的排气槽。

当斜肩部12抵接导能凸缘22产生一抵接压力时，内螺棱13抵接外螺棱23时也产生一抵接压力，二抵接压力可以相同，也可以不同。当内螺棱13沿压合方向对外螺棱23振动剪切并下移时，外壁21.2对所述榫头11产生向内约束力，对侧剪切熔接部40形成持续的外侧向心的施压。当斜肩部12抵接导能凸缘22产生预定压力时，内螺棱13抵接外螺棱23时也产生一预定压力，二预定压力可以相同，也可不同。抵接压力和预定压力视产品要求而定。

斜肩部12的倾斜角度α₁的范围选择为：15°≤α₁≤45°。导能凸缘22的剪切过盈量的厚度S₀满足：当斜肩部12抵接导能凸缘22时，内肩止动部15距离止动环24的顶面的距离为下压距离H₀，该下压距离H₀等于导能凸缘22的剪切过盈量。

当斜肩部12抵接导能凸缘22时，内螺棱13螺旋抵接外螺棱23，内螺棱13与相邻外螺棱23之间在压合方向A上具有重叠部分，该重叠部分径向厚度小于0.3mm，重叠部分的中点位置沿压合方向的长度为剪切长度W₀，也等于下压距离H₀。

为了使得顶剪切熔接部(30)和侧剪切熔接部(40)同时形成，需满足条件：下压距离H₀等于剪切长度W₀。

第一构件10和第二构件20优选为结晶树脂材料或者以结晶树脂材料为基质的树脂基复合材料，结晶树脂材料比如尼龙、聚乙烯或聚苯等。

所述第一构件10和第二构件20均为硬质结晶型聚合物，如PC、PS、PMMA、ABS。或者均为半结晶型聚合物，如PA、PP、PE、POM和Nylon聚酰胺。

沿压合方向A，超声头对于第一构件10施加超声振动的表面距离顶剪切熔接部30小于第一构件10的壁厚；沿压合方向A，超声头对于第一构件10施加振动的表面距离侧剪切熔接部40沿压合方向的最低位置的长度小于等于超声波在树脂中的有效传递距离，该有效传递距离为6mm。

所述高耐久的超声结构焊接形成于高气密性或液密性要求的流体输送系统的连接法兰中。

外螺棱23与内螺棱13之间的螺旋槽的配合，与通常意义的螺纹配合的含义大致相同，有牙形、导程和螺距，螺棱的基本牙形可以是三角形、优选为梯形。但是螺棱配合深度与螺纹配合不同，通常的螺纹配合，螺棱要配合到相应螺槽的底部，但是，本申请关注的是外螺棱23和内螺棱13的重叠部分，外螺棱23和内螺棱13的重叠部分的中点位置沿压合方向的长度为剪切长度W₀大于或等于所述下压距离H₀。重叠部分沿垂直于压合方向的长度为过盈剪切量S小于等于0.3mm。外螺棱23无需配合到内螺棱13的根部。外螺棱23和内螺棱13的旋合长度大于等于1个导程，也就是说，外螺棱23和内螺棱13至少要螺旋一360度角，才能保证侧剪切熔接部40连续分布与整个密封的焊接环面上至少一圈。

所述第一构件10和第二构件20之间还设有密封圈17，当内肩止动部15抵接止动环24的顶面时，内肩止动部15抵接密封圈17并下压密封圈17至少0.02mm。

一种中空纤维膜式血液净化器，包括主体管容器1，主体管容器1轴向内孔两端通过止动环24粘结中空纤维管膜，作为第二构件20的主体管容器轴向两端通过所述高耐久的超声结构焊接有作为第一构件10的入口积液管2和出口积液管3，高耐久的超声结构能够承受100gXYZ方向各1次的冲击后，承受10HZ-2000HZ-10HZ，20分/循环，各循环两次的振动后，所述高耐久的超声结构使得主体管容器仍然能够承受2-3kg/cm²的盐水加压24小时零泄露。

实施例2

改进榫槽外壁，使得侧向向心的施压线性递增，碳纤维布增强榫头外侧。同时删除螺棱的背侧螺旋面。

一种高耐久的超声结构焊接，以将第一构件10的榫头11沿压合方向A压合并熔接结合至第二构件20的榫槽21，榫槽21的外壁21.2除了其直径小于等于定位凸棱18的定位外径至少0.01mm，外壁21.2具有倾斜角度α，倾斜角度α为1°，使得外壁顶部直径大于外壁根部直径，从而使得侧向向心的施压力F随榫头下移而线性递增，当内肩止动部15抵接止动环24的顶面时该径向向心的施压力F达到最大。

同时，在焊接前，设有榫头预处理工序，榫头11外侧表面粘结有环形的增强纤维布层19，以对侧剪切的榫头11径向向外的变形产生约束力。

更为优选的是，增强纤维布层19延伸至榫头11的底面。

所述内螺棱13包括第二斜肩部12.1，第二斜肩部12.1的倾斜角度α₂比斜肩部12的倾斜角度α₁大，外螺棱23包括第二导能凸缘23.1。

关于旋入，榫头11通过工具边旋转边以每周一个螺距下移，直到斜肩部12抵接导能凸缘22并产生一抵接压力，于此同时，第二斜肩部12.1抵接第二导能凸缘23.1也产生相同的抵接压力。

所述高耐久的超声结构焊接、焊接装置及焊接方法，采用如下技术手段解决“增加熔接结构的焊接强度同时简单高效实现焊接工艺”的技术问题，

(1)顶剪切熔接部协同侧剪切熔接部，两部位同时实施超声焊接

斜肩部12抵接导能凸缘22时，启动超声振动同时下移，斜肩部12与导能凸缘22发生振幅0.02mm的高速摩擦，界面树脂熔融，内肩止动部15抵接止动环24的顶面时，顶剪切熔料层达到规定范围的压力，10-20秒后，斜肩部12与导能凸缘22之间形成顶剪切熔接部30；同时，外螺棱23和内螺棱13发生振幅0.02mm的高速摩擦，界面树脂熔融，同时受到榫槽外壁的径向向内的施压力F，内肩止动部15抵接止动环24的顶面时，侧剪切熔料层达到规定范围的径向向心的压力，10-20秒后，外螺棱23与内螺棱13之间形成侧剪切熔接部40。

(2)开创性地使用螺旋剪切熔接面

按通常意义的螺纹配合是无法实现超声焊接的，本发明的内螺棱13和外螺棱23仅沿压合方向有重叠部分，该重叠部分能够当斜肩部12与导能凸缘22时能产生一抵接压力，同时，该重叠部分的宽度为剪切过盈量，以保证剪切熔接面具有足够量的熔融塑料；其中，实施例1是通过使得外螺棱23与内螺棱13之间的螺旋槽的配合能够带动榫头11及第一构件10下移；而实施例2则是去掉了促使下移的背侧螺棱，通过工具边旋转边下移实现。

侧剪切熔接部40是螺旋延伸于榫头和榫槽之间且至少螺旋360°的螺旋形的剪切熔接面。超声焊接的先决条件是：压力、焊接延续时间和超声振动(频率和振幅)，同时，该侧剪切熔接部40形成的附加条件是：重叠部分的中点位置沿压合方向的长度为剪切长度W0，下压距离H0等于剪切长度W0。效果是，所述顶剪切熔接部30和侧剪切熔接部(40)同时形成。

(3)侧剪切熔接部协同顶剪切熔接部形成高耐久的超声结构焊接

榫头11与榫槽21首先形成环形的顶剪切熔接部30，榫头11的内壁与榫槽21的内壁之间又同时形成螺旋形的侧剪切熔接部，使得二者不仅在X向横截面上存在超声熔接面，而且在Z向也存在超声熔接面，二者相辅相成，以使得第一构件10和第二构件20的超声焊接不但能承受轴向力的拉伸冲击，而且能够承受横向的侧冲击。

所述高耐久的超声结构焊接及血液净化器，一次超声焊接操作同时实现环形的顶剪切熔接部和侧剪切熔接部，首次采用螺旋形的剪切熔接面协同辅助环形的剪切熔接面，大大增强了焊接强度的超声结构焊接，该超声结构焊接既能承受轴向拉伸冲击，也能承受侧向剪切冲击。

Claims (10)

1.一种高耐久的超声焊接结构，以将第一构件（10）的榫头（11）沿压合方向A压合并熔接结合至第二构件（20）的榫槽（21），其特征在于，包括

顶剪切熔接部（30），所述顶剪切熔接部（30）藉由斜肩部（12）和导能凸缘（22）沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成，所述斜肩部（12）一体成型于榫头（11）的内环侧，所述导能凸缘（22）一体成型于榫槽（21）内壁顶部；

侧剪切熔接部(40)，所述侧剪切熔接部(40)藉由内螺棱（13）和外螺棱（23）沿压合方向A相对振动剪切熔融固结而成，所述内螺棱（13）一体成型于榫头（11）的内环侧，所述外螺棱（23）一体成型于榫槽（21）内壁外表面；

第一构件（10）设有内肩止动部（15），第二构件（20）设有止动环（24）；

当斜肩部（12）抵接导能凸缘（22）时，内肩止动部（15）距离止动环（24）的顶面的距离为下压距离（H₀），内螺棱(13)与相邻外螺棱（23）之间在压合方向A上具有重叠部分，重叠部分的中点位置沿压合方向的长度为剪切长度（W₀）；

所述顶剪切熔接部（30）和侧剪切熔接部（40）同时形成满足：

下压距离（H₀）等于剪切长度（W₀）。

2.如权利要求1所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，当斜肩部（12）抵接导能凸缘（22）时，内螺棱(13)螺旋抵接外螺棱（23）同时榫头（11）外壁抵接榫槽外壁（21.2）的内表面，以使得榫槽外壁对榫头（11）提供径向向心的施压力（F）。

3.如权利要求2所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，榫头（11）外侧设有至少3个定位凸棱（18），当斜肩部（12）抵接导能凸缘（22）时，所述定位凸棱（18）抵接榫槽的外壁（21.2）的内表面。

4.如权利要求1所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，外壁(21.2)具有倾斜角度(α)，所述倾斜角度(α)使得外壁（21.2）施加到榫头（11）径向向心的施压力（F）线性增加。

5.如权利要求1所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，榫头（11）外侧表面（11.1）粘结有环形的增强纤维布层（19）。

6.如权利要求1-4任一所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，沿压合方向A，超声头对于第一构件（10）施加振动的传振表面（S）距离侧剪切熔接部（40）沿压合方向的最低位置的传振长度（L）小于等于6mm。

7.如权利要求1-4任一所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，斜肩部（12）的倾斜角度α₁的范围选择为：15°≤α₁≤45°，导能凸缘（22）的剪切过盈量的厚度S₀等于下压距离（H₀）。

8.如权利要求1-4任一所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，所述内螺棱（13）包括第二斜肩部（13.1），外螺棱（23）包括第二导能凸缘（23.1），第二斜肩部（13.1）的倾斜角度（α₂）比斜肩部（12）的倾斜角度（α₁）大。

9.如权利要求1-4任一所述高耐久的超声焊接结构，其特征在于，沿压合方向A，超声头对于第一构件（10）施加超声振动的表面距离顶剪切熔接部（30）小于第一构件（10）的壁厚。

10.一种中空纤维膜式血液净化器，其特征在于，包括主体管容器，主体管容器轴向内孔贯穿地粘结有中空纤维管膜，作为第二构件的主体管容器轴向两端与作为第一构件的入口积液管和出口积液管具有所述权利要求1-9任一所述高耐久的超声焊接结构。