深圳市恒波超声波设备有限公司
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塑料超声波焊接工艺原理介绍
来源:深圳超声波焊接设备网网址:http://www.chaoshengbo.org 

    当今塑料及聚合物制品应用领域的不断扩大,超声波塑焊机人们一般认为,超声焊接,顾名思义,应是从超声参数的角度去更多地研究焊接过程。但实际上,这只是其中很小的一部分研究内容。国外研究者们更多地是从材料学、力学、传热学等的角度对超声焊接过程、焊接效果进行研究。

  恒波利用一定篇幅,将从塑料和聚合物的特性、塑料焊接方法分类、焊接的基本步骤、焊接特点、超声焊接的研究内容等方面来介绍塑料和聚合物的超声焊接。超声波在热塑性粘弹性介质中传播相对于金属介质来说有较大耗损,在进行超声塑料和聚合物焊接过程中,需要对这个耗损量进行正确计算,以便确定传入焊件的超声能量,特别是在进行远场焊接时这点尤为重要。最后简单介绍一下测定粘弹性介质复杨氏模量的方法。

1、什么样的塑料适合超声波焊接

   塑料是一种合成聚合物材料,是由许多重复单元构成的长链高分子化合物。这种构成方式可分为两种类型,一种是体型结构,称为体型高分子化合物。有些高分子虽然分子间有交联,但交联较少,称为网状结构,也属于体型结构。体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在,所以没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性也较大。体型高分子结构制成的塑料称为热固性塑料(Thermosets),如酚醛塑料、氨基塑料等。另一种类型是线型结构,称为线型高分子化合物。有些高分子带有支链,称为支链高分子,属于线型结构。线型结构的高聚物由于有独立的分子存在,故有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融并可再成形,硬度和脆性也较小。线型高分子制成的塑料称为热塑性塑料(thermoplastics)。热塑性聚合物又分为两类,无定形(amorphous)和半结晶形(semicrystalline)。无定型热塑性聚合物的高分子链相互缠结、盘绕,或者带有较长的侧链,因此分子链处于无序的自由缠结、随机排列状态,如 ABS(丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚合物,俗称超不碎胶)PS(聚苯乙烯)PVC(聚氯乙烯)PMMA(聚甲基丙烯酸酯,俗称压克力)PC(聚碳酸树酯,俗称防弹胶)等。半结晶形热塑型聚合物由可排列规则有序和微晶致密结构的长链线性分子链构成,但这些长链分子不能形成完全高度有序的结构,因此材料中还存在一些非晶区,被称为半晶聚合物,如 PE(聚乙烯)PP(聚丙烯,俗称百折胶)POM(聚缩醛树酯,俗称赛钢或夺钢)Nylon(聚酰胺纤维,俗称尼龙)

 热塑性塑料适合于焊接,热固性塑料则不适合。为使缩短焊接时间,对大多数无定形热塑性塑料来说,焊接温度通常要高于其玻璃化温度 100 °C以上,对半晶形塑料来说,为确保其焊接面能完全熔融,焊接温度要高于其熔融温度 50 °C 以上。

2、塑料超声波焊接方法分类及基本过程

   焊接方法通常根据采用的加热方式分类,一般可以分为外加热和内加热两大类。外加热的焊接方法有热板焊接、热气焊接、挤出焊接、内植感应焊接和内植阻抗焊接。内加热又可分为电磁加热和机械加热两类。电磁加热的方法有射频焊接、红外焊接、激光焊接以及微波焊接。机械加热方法有振动焊接、旋转焊接和超声焊接。

热塑性塑料及复合材料的焊接,就是通过某种加热方式,使聚合物界面处熔融并熔接,从而将焊件连接在一起的加工过程。其实质是两焊件在两界面熔融后,使界面处聚合物长链高分子间形成扩散。焊接过程一般可以分为五个步骤:(1)  准备,两焊件要相互匹配(即要适合于焊接,具有可焊性),表面需要进行必要的清洗或切削;(2)  加热,使两焊件界面处的聚合物熔融;(3)  加压,外界施压,焊件熔融的界面被压在一起;(4)  分子间扩散,熔融的聚合物层与层之间要达到充分接触,使得分子间扩散顺利进行;(5)  冷却成型。

3、超声波焊接工艺简介

   超声波塑焊机一般用于由于复杂或成本较高而不能整体成型的部件。通过在焊件上施加低振幅(10~50 μm)的高频率机械振动(一般为 10~70 kHz,更常用的频段范围是 10~40 kHz)来完成。在上焊件中导入超声波后,将在焊件中产生正弦驻波。焊件中分子间的摩擦使部分能量以热能的方式消耗掉,另一部分能量传送到焊界面,由于焊接面处的声阻大,因此会产生局部高温。塑料导热性差,不能立刻散发,能量聚集在焊区,致使两界面处能迅速熔化,施加一定压力后,使其充分接触,两界面的分子间相互扩散缠结,最后形成一个坚固的分子链,达到焊接的目的。超声焊接强度可接近于原材料强度。超声波除了用于一般的焊接外,还可以应用于所谓的超声铆接。例如,当连接两个材料不同的、不相熔的热塑性部件时,或连接热塑性部件与另一种材料如金属部件时,可将一种材料插入到另一种材料中,如可将一金属部件插入到热塑性部件之中。

 超声波塑料焊接机是热塑性塑料和聚合物常用的焊接方法。焊接速度快,易于自动化控制、形成批量焊接,每分钟可完成 60 个焊件,是目前所有焊接方法中最快的一种。焊接过程中不需要用于驱除烟雾或热量的通风系统。与其他方法相比较,成本低,焊接质量高。焊接工具头可快速更换,以适应不同形状的焊件。焊接过程中不会产生有害污染,或降解源。当前的焊接技术,对焊件的尺寸有一定限制,不能大于 250 mm×300mm。另外,焊前需要对焊件作一些特殊的焊接设计。

塑料超声波焊接工艺

3.1  超声波导熔线

由于焊件粗糙的界面和摩擦力的作用,使得界面处的面应变总大于焊件的体应变,焊件界面产生的热量也最大,足以使热塑性材料熔融并使焊件熔结。为提高焊件的坚固性,一般在焊件的焊接界面处,人为地制造一些三角形或矩形凸台。这些凸台起到能量导引体的作用,通常叫做超声波熔接线,或超声波导熔线。超声波振幅在此处为位移节点,应变腹点,将产生最大热量。超声波熔接线受热熔融流动,将两部分焊件熔结在一起。


3.2近场焊接和远场焊接

   目前工业上焊接系统中广泛使用的是20kHz工作频率的超声波,这个频率在热塑性塑料和聚合物中的波长一般为 6~13 cm。根据这个波长长度来计算,通常将超声焊接分为两种形式,近场焊接和远场焊接。焊头与焊接部件的接触面到焊接界面之间距离小于 6.4 mm的称为近场焊接,大于 6.4 mm的称远场焊接。

  近场超声焊接中,因焊头与焊接部件的接触面到焊接界面之间距离小于其超声波在焊件中的波长,焊接面的振幅可认为几乎等于焊头表面的振幅。近场焊接通常用于对超声能量吸收较高的半结晶形和低硬度材料,远场焊接通常用于对超声能量吸收较低的无定形和高硬度的材料。远场焊接要考虑波在其中传播的耗损问题。

3.3  切入式焊接和连续式焊接

  切入式焊接是一个不连续的过程。超声波焊头放入夹具中,对焊件施加超声波能量进行焊接,焊接结束后将焊头收回。切入式焊接常用于焊接、铆接、导入或压型。典型步骤一般包括放置焊件、按下焊接按钮、焊头下降、导入超声能量、保持(在预定压力下焊头与焊件保持一段时间)、焊头提起、移走焊件等。

  连续焊接中,超声波模具在一定压力或固定间隙下一直保持与焊件接触,焊件以连续方式抽出,焊接的对象通常为薄膜或纤维,类似于超声缝纫。

3.4 超声波工艺控制

   焊接设备中,有一微处理器,用于监控时间、能量、位移。而分别对应的各种模式有时间、能量、位移、最大功率控制模式等等,含义分别为达到焊接预设时间、传入部件的超声能量达到预设值、焊头深入焊件中达到了位移预设值、达到预设功率值。例如,能量模式中,系统中的总能量是预设好的,这时的时间参数被调节成维持这种预设好的能量的时间。另外,为保证焊接质量,在采用任何一种工艺控制模式的同时,也可以控制一个参数而对其它参数有所限制。如采用时间模式,可设置最小焊接能量或最大功率。也就是说,当焊接结束时,如果第二个参数(能量或最大功率)没有达到预设值,控制器就会向操作者或PLC(programmable  logic controller)发出警报,以便进行检查或废弃掉焊件。


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