李維冰 原慶芳 陶采芹 孫婧 遲廣秀

（山西新華化工有限責任公司，山西 太原，030008）

塑料工業(yè)濾毒罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計與超聲波焊接

李維冰 原慶芳 陶采芹 孫婧 遲廣秀

（山西新華化工有限責任公司，山西 太原，030008）

1 概況

工業(yè)濾毒罐是工業(yè)防毒面具的濾毒元件，工業(yè)防毒面具用于操作人員在工業(yè)有毒有害場所佩戴，免受有毒氣體和有毒氣溶膠的侵害。國外將塑料用于制作工業(yè)濾毒罐的主要零部件始于上世紀70年代，上世紀末得以廣泛應(yīng)用。塑料工業(yè)濾毒罐具有加工工序簡單、制造成本低、重量輕等優(yōu)點，以及利用塑料注射工藝的特點將原本需要幾個零件才能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，利用注射工藝一次成型，從而簡化了工藝，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。盡管如此，塑料工業(yè)濾毒罐還是有他的缺點，如罐裝配時藥層不容易牢固，易松動；中隔板采用超聲波焊接存在焊接不牢等問題。

為降低制造成本，增強工業(yè)濾毒罐的市場競爭力，筆者著手研發(fā)滿足GB2890-2009《呼吸防護自吸過濾式防毒面具》3級過濾件的性能要求的塑料工業(yè)濾毒罐。

2 濾毒罐的結(jié)構(gòu)

濾毒罐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如采用工程塑料作為罐底、中隔板、下網(wǎng)板和罐體等零部件材料，可大大降低加工制造成本，提高生產(chǎn)效率。塑料件可一次注射成型，與原金屬件相比加工制造工序相當簡單。

金屬工業(yè)濾毒罐與塑料工業(yè)濾毒罐加工使用設(shè)備對比，見表1。

2.1 濾毒罐防護性能及標色

濾毒罐防護性能及標色如表2所示。

2.2 濾毒罐通氣阻力

當檢測氣體流量為30 L/min時，通氣阻力≤200 Pa；當檢測氣體流量為95 L/min時，通氣阻力≤770 Pa。

2.3 濾毒罐致密性

當濾毒罐進行水下致密性檢驗時，通入空氣壓力為（15±2）kPa，通氣時間1 min，濾毒罐應(yīng)無氣泡逸出。

圖1 濾毒罐的結(jié)構(gòu)

表1 金屬工業(yè)濾毒罐與塑料工業(yè)濾毒罐加工使用設(shè)備對比表

表2 濾毒罐防護性能及標色

2.4 濾毒罐排塵量

A型（防苯類）排塵量 ≤0.24 mg；B型（防氯化氰類）排塵量 ≤0.12 mg。

2.5 外觀要求

濾毒罐外觀應(yīng)平滑、無毛刺，無影響致密性的缺陷。

2.6 濾毒罐重量

濾毒罐重量不大于500 g。

2.7 濾毒罐強度

經(jīng)溫度和強度預(yù)處理的樣品，結(jié)果應(yīng)滿足2.1的要求。

3 塑料濾毒罐的結(jié)構(gòu)

塑料工業(yè)濾毒罐參考了國內(nèi)MP系列工業(yè)濾毒罐、MQ系列濾毒罐的結(jié)構(gòu)特點，將塑料濾毒罐設(shè)計為圓柱形、軸向進出風的層裝結(jié)構(gòu)。內(nèi)裝的濾毒材料與原工業(yè)濾毒罐相同。主要由罐蓋、橡膠墊、連接繩、罐體、上網(wǎng)板、濾灰片、紗布片（兩種規(guī)格）、中隔板、罐底、橡膠塞11個零件組成（其中，罐蓋、橡膠墊、橡膠塞、連接繩為借用原工業(yè)濾毒罐零件）。

此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是降低氣流比速，提高防護性能，降低濾毒罐的通氣阻力，減輕濾毒罐的重量。塑料工業(yè)濾毒罐結(jié)構(gòu)，見圖2。

4 濾毒罐零件與超聲波焊接工藝設(shè)計

4.1 罐體設(shè)計

將濾毒罐罐頸與罐身設(shè)計為一體。結(jié)構(gòu)尺寸以MP型濾毒罐的裝藥量為基礎(chǔ)，以MQ型濾毒罐直徑為雛形，結(jié)合樣品試制確定尺寸。

圖2 塑料工業(yè)濾毒罐結(jié)構(gòu)圖

為簡化研制內(nèi)容，提高研制效率，裝藥量以MP型濾毒罐的裝藥量為基礎(chǔ)進行小樣試驗，在裝藥量一定的前提下來確定濾毒罐的高度和直徑。為考慮濾毒罐的強度及實現(xiàn)濾煙功能的需求，結(jié)合某工程塑料的工藝加工性能，罐身設(shè)計為帶有＜1°斜度和階梯形，罐體結(jié)構(gòu)示意，見圖3。

4.2 中隔板設(shè)計

1）加強筋的設(shè)計

根據(jù)濾毒罐的結(jié)構(gòu)及中隔板的焊接壓力要求，為保證裝藥層密實可靠，中隔板應(yīng)有足夠的厚度，并設(shè)計16道一定高度均勻分布的輻射的加強筋，2條不同直徑的環(huán)行筋，以保證中隔板焊接時在0.35～0.5 MPa軸向壓力下的可靠性。

2）中隔板外翻邊的設(shè)計

在中隔板外圓上設(shè)計有環(huán)行翻邊，并均勻分布有通槽，由于單個翻邊長約6mm且較薄，在中隔板與罐體邊緣緊密接觸時，會產(chǎn)生彈性變形，從而保證中隔板與罐體結(jié)合緊密，同時確保焊接牢固。

3）焊接線的設(shè)計

在中隔板翻邊的外側(cè)設(shè)計有均勻分布的焊接線，根據(jù)超聲波焊接的要求，最初接觸的兩個表面必須要小，以便將所需能量集中，并盡量減少所需要的總能量來完成熔接，將焊接線截面設(shè)計為等邊三角形，邊長為0.5mm，裝配時利用罐體內(nèi)側(cè)的脫模斜度，通過軸向施加壓力，使之漸進熔接，最終與罐體內(nèi)側(cè)焊接牢固。中隔板示意圖見圖4。

4.3 超聲波焊接工藝設(shè)計

本項目的關(guān)鍵技術(shù)是濾毒罐塑料件間的連接，濾毒罐塑料件間的焊接裝配采用超聲波焊接工藝。

4.3.1 超聲波焊接原理

濾毒罐上網(wǎng)板、中隔板和罐底的裝配采用超聲波焊接工藝。超聲波焊接是利用焊頭的高頻振動,使兩焊接零件表面產(chǎn)生高頻摩擦，將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能將兩焊接面分子熔解，恢復(fù)其活性，然后在外作用力的輔助下，分子相互纏接來達到焊接的目的。

圖3 罐體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中隔板示意圖

圖5 罐體與上網(wǎng)板焊接結(jié)構(gòu)示意

4.3.2 罐體與上網(wǎng)板焊接

為保證上網(wǎng)板在罐體中的穩(wěn)定性，在上網(wǎng)板下平面設(shè)計有環(huán)狀焊接線，通過焊頭的軸向壓力及超聲波的高頻振動，使上網(wǎng)板上的環(huán)狀焊接線與罐體內(nèi)凸臺平面牢固焊接。焊接形式見圖5。

4.3.3 罐體與罐底的焊接

圖6 罐體與罐底焊接結(jié)構(gòu)示意

圖7 罐體與中隔板焊接結(jié)構(gòu)

罐底與罐體配合部位的焊接面采用階梯形設(shè)計。寬1mm、高2.5mm的環(huán)形凸臺（見圖6），使罐底在裝配時能順利、準確地裝到罐體中，通過罐底凸臺外平面的焊接線與罐體進行焊接（見圖5），從而保證濾毒罐的氣密性能。

4.3.4 罐體與中隔板焊接

焊接面設(shè)計采用剪切連接（見圖7），剪切連接的熔接深度是可以調(diào)節(jié)的，深度不同所獲得的強度不同，熔接深度在0.5-1.5mm之間，焊接面利用罐體內(nèi)側(cè)的脫模斜度與中隔板外側(cè)均勻分布的焊接線緊密接觸，通過軸向施加壓力，使之漸進熔接，達到焊接牢固的效果。

5 結(jié)語

在設(shè)計時充分考慮塑料濾毒罐在裝配時利用超聲波焊接的工藝特點，確保焊接牢固，保證濾毒罐性能，特別是中隔板的的結(jié)構(gòu)與焊線的設(shè)計，結(jié)合罐體的拔模斜度，在中隔板上設(shè)計了翻邊，在翻邊上設(shè)計了焊接線，可使中隔板有0.5-1.5mm的上下調(diào)節(jié)幅度，同時保證了焊接強度，解決了塑料濾毒罐裝配的根本問題。

工業(yè)濾毒罐采用塑料為原材料可以大大降低制造成本，經(jīng)過計算包括材料改變、加工工藝改變、動力消耗等，每個濾毒罐可降低成本10元左右，經(jīng)濟效益顯著。

（References）

[1]王曉東, 羅怡.聚合物微器件超聲波成形與封接技術(shù)[M].北京：科學出版社, 2014.

[2]曹鳳國.超聲加工[M]. 北京： 化學工業(yè)出版, 2014.