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[超声波塑料焊接机设备参数]超声波焊接原理、材料选择和焊接设计(上)

作者:以沫      发布时间:2021-05-03      浏览量:0
超声波塑料组装是使用最广泛的热塑性塑料连

超声波塑料组装是使用最广泛的热塑性塑料连接技术之一,可以生产永久坚固美观的接头。超声波塑料组装分为四类:(1)超声波焊接Welding(2)超声波铆接Staking(3)超声波刺穿Spot(4)超声波镶嵌Inserting。在这里,我们将重点研究超声波焊接的原理、材料选择和焊接设计。

1、超声波焊接工艺描述

超声波焊接利用高频超声能量(15-500μkhz)产生低振幅(1-100μm)机械振动。该振动传递到零件连接接头处,产生热量,热塑性材料熔化,冷却后形成焊接。超声波焊接是目前已知的最快的焊接技术,焊接时间通常在0.1秒到1.0秒之间。超声波振动在热塑性塑料中产生正弦驻波。部分能量因分子间摩擦而消散,材料温度上升。另一部分被送到接头处,由于边界摩擦而局部加热。因此,超声波能量的最佳传输路径和后续接头材料的熔化行为取决于零件的几何形状和材料的超声波吸收特性。振动源越接近焊接接头,材料吸收损失的能量越小。当振源到接头的距离小于6.4毫米时,该过程称为近距离焊接。适用于具有高能吸收特性的晶体材料和低刚度的材料。振源到接头距离超过6.4mm时,该工艺称为远程焊接。适用于具有低能吸收特性的无定形材料和高刚性材料。接头表面容易产生高温,是因为接头表面凹凸不平,比材料本体容易产生更大的应变和更大的摩擦力。在许多超声波焊接应用中,上部件表面有三角形凸起,称为导能筋,这一特点有助于在接头处聚集振动能量。

焊接过程中,超声波振动垂直于接头表面。导能筋上的尖点在压力下与焊接部件接触。尖点产生大量热量,导能筋开始熔化。焊接过程可分为四个阶段。第一阶段,导能筋的顶部熔化,熔化速度加快,随着接头两侧间隙的减少,熔化的导线筋完全扩展接触下部部件,导线筋的熔化速度下降。第二阶段,上下两个零件的表面接触,熔化区域增大。第三阶段,稳定熔化阶段,形成具有一定厚度的熔化层,也伴随着产生一定温度场。过程达到设定的焊接能量、时间、距离和其他控制条件时,超声波停止。第四阶段,继续保持压力,部分过多的熔体被挤出焊缝,零件之间形成分子键连接冷却。

2、超声波焊接的优缺点

超声波焊接是目前工业中使用最广泛的塑料连接技术,快速、经济、自动化容易,非常适合大量生产作业,生产节拍可达每分钟60件。焊接稳定性好,强度高。焊接时间短于其他焊接工艺,无需复杂的通风系统排烟,冷却系统排除多馀热量。能源利用率很高。与其他塑料焊接技术相比,生产效率高,成本低。模具设计比较简单,可以实现快速更换模具,增加了设备的利用率和通用性。由于焊缝中不引进其他辅助焊接材料,焊缝干净无杂质,不影响设备的生物相容性,广泛应用于要求更高的医疗保健行业。超声波焊接的局限性。产品尺寸超过250mmX300mm时,焊头设计困难,不能一次焊接完成。多采用多个焊头同步焊接,或者单个焊头多次焊接完成。超声波焊接结果的好坏与焊接结构设计、注射零件的尺寸误差和变形有很大关系。超声波振动容易损伤敏感的电子部件,尽管采用更高的频率和降低振幅可以减少这种损伤。

3、应用领域

超声波焊接几乎适用于所有主要行业。汽车:前灯、仪表盘、按钮和开关、燃料过滤器、液体容器、安全带锁、电子钥匙锁、灯组件、管道。电子和电气设备:开关、传感器、执行器等。医学:过滤器、导管、医疗服装、口罩。包装:水泡袋、袋子、储藏容器、管口。以下是一些应用案例和焊接设计。

咖啡杯,材料PS,采用沟槽颚导筋焊接设计。

电子开关,材料ABS,采用超声铆接。

后视镜、材料ABSPC采用台阶能筋焊接设计。

电子灯、材料ABSPMMA采用平面导向筋焊接设计。

电连接器,材料ABS金属,采用超声波铆接。

医用瓶,材料PC,采用平面导向筋焊接设计。

燃料过滤器,材料尼龙6-6,采用剪切焊接设计。

滤膜/吸音棉组装,材料尼龙30%玻璃纤维,采用穿刺焊接。

电器盒,材料PS铜螺母,采用超声波镶嵌工艺。

转子,材料PS,采用平面导筋焊接设计。

4、材料选择

5、聚合物结构

无定形塑料(Amorphousplastics)分子结构随机分布,无固定排列方向,具有在宽温度范围内逐渐软化的特点。当这种材料达到玻璃状转换温度Tg时,材料逐渐软化,然后进入液体熔化状态。材料从液体固化时,也逐渐过渡。无定形材料能有效传递超声波振动,软化温度范围广,焊接容易,密封性也容易。半结晶塑料分子结构有序排列。需要高序排列需要高热量。熔点(Tm)锐利,只要温度稍微下降,液体就会迅速固化。因此,从热熔区流出的熔体会迅速凝固。在固态的情况下,半结晶材料分子的特性像弹簧,不是将振动传递到接头区域,而是吸收大部分超声波振动。因此,对于半结晶材料,为了产生足够的热量,需要采用高幅输出的焊头。

6、Tg玻璃状转变温度,Tm熔化温度。

上图左侧为无定形塑料,右侧为半结晶塑料。

7、填充剂

热塑性塑料中的填充剂(玻璃纤维、滑石粉、矿物质)可以强化或抑制超声波焊接。材料如碳酸钙、高岭土、滑石粉、氧化铝、有机纤维、二氧化硅、玻璃球、硅酸钙(硅灰石)和云母可以提高树脂的硬度。研究表面,填充剂含量20%时,可有效提高超声波振动在材料中的传输效率,特别是半结晶材料效果显着。当填料含量达到35%时,由于树脂含量不足,焊缝处可能会影响密封的可靠性。填充剂含量达到40%时,玻璃纤维聚集在接头位置,焊接部位因剩馀树脂含量不足影响焊接强度。注射时,长玻璃纤维容易堆积在导电筋上。解决这个问题的方法是用短玻璃纤维代替长玻璃纤维。当填料含量超过10%时,材料中的磨料颗粒会导致焊头磨损。因此,建议使用硬质合金钢焊头或表面有碳化钨涂层的钛合金焊头。也许需要选择更高功率的超声波设备,以便在接头处产生足够的热量。

8、脱模剂

脱模剂(硬脂酸锌、硬脂酸铝、氟碳化合物、硅酮)涂装在模具型腔表面,注射零件容易取出。脱模剂可转移到接头表面,降低物料的摩擦系数,减少热量的产生,抑制超声波焊接。另外,脱模剂对树脂造成化学污染,即抑制适当化学键的形成。其中硅的影响最有害。有时候脱模剂可以用溶剂去除。如果必须使用脱模剂,请选择合适的等级,以免脱模剂转移到零件表面。

9、材料等级

同一材料的不同等级可能有不同的熔化温度和流动指数。甚至一个等级可以融化和流动,而另一个等级不能焊接。例如,PMMA的铸造等级具有较高的分子量和熔化温度,比注射/挤压等级的PMMA更脆。因此,焊接困难。一般来说,焊接的两种材料需要相似的流动指数(流动指数与分子量有关),熔化温度在22℃以内不同。为了达到最佳的焊接效果,应选择同等级的材料进行焊接。

10、含水量

材料的含水量会影响焊接强度。吸水材料如PBT、PC、PSU,尤其是尼龙更容易从空气中吸收水分。焊接时,吸收的水分在100°C沸腾,被困的气体在焊接中产生孔隙,分解塑料,外观差,焊接强度差,密封困难。为了保证焊接效果,吸水材料应在注射完成后立即焊接。如果不能实现,需要将干燥的零件保存在干燥的PE袋中。焊接前,也可将零件放入烘箱中,在80℃下烘烤3小时。

11、不同材料

焊接不同材料时,两种材料的熔化温差不得超过22°C(40°F),两种材料的分子结构应相似。如果熔化温度相差较大,低熔点的材料将首先熔化和流动,不能继续产生足够的热量来熔化高熔点的材料。例如,如果高熔点PMMA焊接在低熔点PMMA上,导向筋位于高熔点PMMA上,则低熔点材料接头熔化流动,导向筋软化,容易形成差的焊接强度(也称为虚焊,材料之间没有形成分子键连接)。只有具有化学相容性(即具有相似分子结构)的材料才能焊接。材料的相容性只存在于无定形材料之间。例如ABS和PMMA、PC和PMMA、PS和改良的PPO。半结晶塑料PP和PE具有类似的物理特性,但没有材料的相容性,不能焊接。下表列出了用于超声波焊接的热塑性塑料材料的相容性。