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熱塑性塑料的焊接—超聲焊接

文章附圖

接熱塑性制件的最普通的方法是超聲焊接.這種方法是采用低振幅,高頻率(超聲)振動能量使表面和分子摩擦產生焊接相連墊塑性制件所需的熱量.(正弦超聲振動)

超聲焊接在20-50kHz的頻率范圍內發生,其一般振幅范圍為15-60um.在低達15kHz(較高振幅)的聲頻有時用于較大制件或較軟材料.焊接過程通常在0.5-1.5s內發生.焊接工藝孌量包括焊接時間,焊頭位置和焊接壓力.超聲焊接設備通常用來焊接中,小尺寸的熱塑性塑料制件,而很大的制件可用多點焊接.

超聲焊接方法可根據焊接時間或焊縫位置(塌陷距離)或焊接能量控制.也對焊接壓力和冷卻時間提供附加控制.

超聲焊接設備一般不是在20kHz就是在40kHz頻率下運行.20kHz裝置更常用.

接頭設計:第一類即最常用的接頭類型,在被連接表面的垂直方向上利用超聲振動.對接和Z形接合歸入這一類,適用于多數聚合物.第二類超聲焊接接頭包括與接頭表面平行的振動,形成剪切狀態.各種類型的剪切和嵌接歸入第二類.

能量控制囂接點與無定形材料一起使用最佳,圖1所示較大的能量控制囂結可在一些不密閉的半結晶材料中應用.

圖1  無定形和半結晶聚合物所用的能量導向囂的近似尺寸

此圖所示的焊接接頭是對普通能量控制接頭設計的獨特的改進.下面式件用一個粗糙或有紋理的表面改進.將會提高焊接質量,焊接強度和焊接完成的容易程度.其它許多有紋理的接頭外形也是可行.

溢料問題可通過把溢料污染槽引入接關設計中而降低,為安全,一般溢料槽設計至少10%的過度體積容量.


*緊壓接頭:為了使溢料形成的可能性最小,緊壓接頭設計的目的是阻擋熔體或將熔體保持在熔區內.緊壓接頭對半結晶的塑料材料如尼龍是有用的.因為接關結構更復雜,緊壓接關所需的制件配合公差相對嚴格.與三角能量導向囂焊接相比,較大的接頭結構也需要附加振幅和焊接能量.典型的緊壓焊接幾何結構如圖2所示.


圖2 典型的超聲緊壓焊接結構

制件找平    簡單對接沒有任何措施解決制件相互找平或對中.制件找平更適于用模塑定位銷或雙頭螺完成.而z形接能自動找平,且在使用時耐拉伸且改進了搞剪切負荷性.并能消除外部溢料.

圖3   超聲焊接工藝用的典型z開接頭設計

(a) 焊接前的z接頭: (b)焊接后的z形接頭:(c)改進的

               z形接頭:臺階附帶肩部掩蓋了不平性,結果使外觀改進

*槽舌接合不但提供了剪切強度而且提供了拉伸強度.這種接合是自對中的,接合區域的壁厚必須相對大以適應槽舌接合設計.另外,制件公差要求相對嚴.間隔加強筋改善了接頭找平.

圖4  超聲焊接工藝用的典型槽舌接合設計


*剪切接頭  當焊接半結晶聚合物(或其它難以焊接的聚合物)和需要密封接頭號時,一般推薦使 用剪切接。需要高強度,高質量接碚的環形和矩形制件都用剪切接頭。剪切接頭號具有搭接制件壁部分,當接頭被焊接和相互依次嵌入時,搭接部分產生公差和局部剪切。為了促進制件找平,接頭包含了調節部分。為了集中熔融能量,一邊上的阻礙物的頂角在初始接觸面上降低。因為融化材料的溫度在整個接觸面上保持一致,制件被焊接時,兩表面熔融均勻。深度為1.0-2.0mm的使用0.13-0.5mm范圍內的公差值。為了防止在焊接過程中由于公差而產生的外部側壁翹曲,垂直的制件應盡可能淺,但在一邊用剪切制件改進的槽舌接頭可與較深的拉伸制件一起使用,提供中壁接頭,它使由于公差而產生的側壁翹曲最小。如圖5所示。

(a)焊接前的部件;  (b)焊接后的部件

圖5典型的超聲焊接剪切接頭設計和典型的中壁組裝剪切接頭設計

1-槽舌剪切接頭:有助于阻止部件向內彎曲;2-支撐夾具:目的是在焊接過程中阻止下面部件壁向外彎曲;3-上面的部件;4-下面的部件

   *斜坡接合 斜坡接合設計也可為無定形和半結晶聚合物提供高強度密封接頭。斜坡接合是自固定的且最適合小尺寸的圓形或橢圓形制件。斜坡接合的焊接能量要求很高。



 圖6 超聲焊執著用典型的斜坡接合設計

(a) 斜坡接合;  改進的斜坡接合(附加公差)

1- 溢料槽;2-夾具

   

 斜坡接合具有30°-60°的角且應該在±1°內裝配。為附加的熔區材料厚度增加的0.10-0.25mm的公差產生焊縫和溢料。當從功能或審美上不能接受溢料時,就使用收集器。

   *帶嵌入密封裝置的焊接  用嵌入的彈性密封圈或韌性墊圈也可獲得可靠的密封。如圖7所示接頭制件裝有一個彈性環,以改善用超聲焊接接合可達到的密封安全性,或在連續的周邊焊接不可能的情況下使用。


圖7 超聲焊接制件通常需要密封接頭

1- 能量導向器;

2- 彈性密封

焊接設備也可生產電栓焊和銷套觸點焊接。在不需要密封接頭的應用中,銷套接頭可用來連接相同的塑料材料。

圖8   超聲焊接設備可形成銷孔型剪切接頭

1-溢料收集器;2-焊接前;3-焊接后


*超聲鉚焊 超聲焊接的變異是超聲鉚焊.即把一個熱塑性制件固定在另一個不同材料的制件上的方法.鉚釘或凸臺在底部應該 有十分大的半徑或圓角,以防裂紋或熔融.為了集中超聲能量,凸臺的頂端應該設計成與焊頭的初始接觸最小。凸臺頂部可以是平的或圓錐形的,半結晶或填充的聚合物以圓錐形的較佳。超聲鉚焊的完整性取決于鉚釘和焊頭之間的精確容量關系。

圖9 超聲焊接設備可生產鉚焊或各種結構

1- φ≧1.6mm的鉚釘;2-尖錐觸發熔融;3-φ≧14.0mm的鉚釘

*標準鉚焊 直徑在1.6-4.0mm這間的平頭鉚釘。剛性和柔性的不耐磨熱塑性塑料推薦使用標準外形。

*半球形鉚焊   直徑小于1.6mm的鉚釘建議用在半球形鉚焊上。對耐磨塑料是合適的。

*溢流式鉚焊  溢流式鉚焊用在要求表面為平的或隆起的及鎖信制件的厚度被允許使用的應用中。

*空心鉚焊 直徑大于4mm的凸臺或鉚釘去芯后可生盲孔凸臺。

如圖10所示  當嚙合制件中不允許有通孔時,超聲焊接設備也能形成機械互鎖。模制塑料鉚釘(與用于鉚焊的類似)和在嚙合制件中的盲倒角可形成以公差為基礎(假設帶倒角的制件不融化)的真正的機械接合。

圖10  用超聲焊接形成機械互鎖的示例

1-帶軟化和變形鉚釘的熱塑性部件;2-具有倒角的嚙合部件;3-超聲波焊頭


*超聲焊接的材料因素  超聲焊接操作適合于多數熱塑性材料。

l 1無定形聚合物,特別是室溫下外于玻璃態的無定形物,通常是焊接工藝的好的候選材料。玻璃態無定形聚合物具有良好的透射性能,允許用看近場和遠場焊接技術成功焊接。當材料較軟時,開定形材料的超聲焊接就成問題。如:焊接高沖擊ps將比焊接通用ps一般需要更多能量和附加振幅。

l 2半結晶聚合物一般更難用超聲能量焊接.增加由焊接體系發射的能量值(即增加振幅);縮短焊頭/制件接觸面與接頭接口間的距離;使用近場超聲焊接技術;使用振幅高達0.05-0.15mm的焊頭.這些高焊接振幅需要使用鈦焊頭.當需要高強度、密封組裝時,剪切接頭和斜坡接合對半結晶聚合物都適用。

l 3焊接吸濕性聚合物:模塑后馬上焊接制件(在它們仍是干燥時);焊接前干燥制件;焊接前把制件存放在干燥器內。