一体成型(注塑)材料超声波焊接工艺分析
2020-10-09谢锐
【摘 要】一体成型材料由于加工成本低廉、结构成型快速等优点广泛应用于塑料或橡胶制品加工领域,超声波焊接技术作为一种新型的塑料制品焊接加工工艺凭借其焊接速读快、经济、干净、美观等特点受到操作人员的青睐,通过对超声波焊接机的结构及工作过程进行阐述,介绍焊接材料的设计原则,分析焊接振幅、焊接压力、焊接时间等因素对焊接质量的影响,为实际焊接工作提供理论性参考。
【关键词】一体成型材料;超声波焊接;工作原理;影响因素
引言
传统的塑料材料连接方式有粘接、融合等方式,采用塑料粘接剂连接两个塑料材料是最常见的连接方式,但是随着粘接剂的老化会出现连接断裂的现象,融合是将两个塑料材料表面加热使材料处于熔融状态再连接到一起,这种方法虽然可以保证材料连接稳固但是会破坏材料内部结构,对于高精度的塑料材料无法适用于该方法。而超声波焊接工艺完全消除了传统连接方法的缺点,超声波焊接工艺有如下优点:焊接速度快并且连接强度高,总体焊接时间不会超过1s,其次焊接过程不会破坏塑料表面,焊接区域以外的部分不会发热,不需要前处理,焊接后能保证焊接部位的密封性,不需要额外的辅助熔接剂等等。
超声波焊接技术已经广泛应用于汽车制造业、家电行业、航空航天、玩具制造业等领域,具有着非常广泛的应用前景,国内外的研究人员对于优化超声波焊接技术领域已经有了十分深入的研究。本文首先对超声波焊接工艺进行简单介绍,其次分析各种因素对焊接质量的影响。
1.超声波焊接工艺介绍
1.1焊接机工作原理
超声波焊接机主要由超声波发生器、换能器、变幅杆装置、焊接头等结构组成,其工作原理如下:超声波作用于具有热塑性注塑材料的接触面,产生频率为15-40KHz的高频振动,超声波能量通过上焊件传送到需要焊接的部位,两个焊接表面之间的交界处具有较大的声阻,由此产生局部高温。注塑件的热传导性均较差,所以产生的热量可以聚集在焊接部位,焊接部位的接触面高温融化并施加一定压力使得接触面融合成一体。在超声波停止作用后焊接压力还会维持一段时间等待焊接部位凝固成型,使焊接部位的焊接强度接近于原有的注塑材料。其中焊接加工方式可以分为两类:线性振动焊接和轨道振动焊接,其中线性振动焊接是指将两个材料表面紧密结合在一起并使一个材料表面在另一个材料表面上做往复运动,由于两材料摩擦生热使材料表面出现融化从而达到粘接的目的;轨道振动焊接是指焊接头在材料表面做圆周运动,使材料表面达到焊接所需的温度,当材料表面出现融化立即粘接并停止加热,这种方法适用于尺寸较小的焊接材料。
超声波焊接不仅仅只限用于塑料材料的焊接,而且可以用于锌、镁、铝等轻金属材料的焊接,其工作原理和塑料焊接过程大致相同,借助静压力和超声波振动使金属材料表面升温,破坏金属表面的氧化层使金属原子之间扩散结合达到焊接的目的,这种焊接方法不仅消除了传统金属焊接会出现的飞溅氧化等问题,而且由于没有对金属材料输电加热,所以不会改变金属材料原有的导电性能。
1.2焊接材料选用建议
在超声波焊接过程中要求材料原有结构产生最小形变并且可重复焊接过程,需要焊接的材料表面必须具有统一规格并且可以相互紧密连接,在焊接过程中尽量保持两材料表面处于同一水平面,这样可以保证焊接过程的能量转换过程相同;需要焊接的材料表面越小越好,由于超声波焊接需要的激发能量较大,要保证采用尽可能少的焊接能量来完成焊接工作;为了确保焊接过程连接的稳固需要对材料进行预处理,例如插接孔、齿口等结构。
对于焊接材料的选用建议有以下几点:(1)对于塑料焊接材料要保证材料具有一定的刚度和厚度,禁止采用薄壁材料進行焊接;(2)在焊接箱形材料时为了避免由于共振产生的能量集中进而导致材料破坏的问题,可以采用增加材料厚度、设置加强筋、避开焊接中间位置等措施;(3)对于应力集中的注塑材料,例如L形角钢,可以采用将直角转变为圆角的方式避免超声波共振的问题。
2.焊接工艺对焊接质量的影响分析
2.1焊接振幅
焊接的振幅是材料焊接之前就需要考虑的因素,对于常规的PVC和PE材料其焊接的振幅范围在20-60μm之间,在给定的振幅范围内,振幅的增加会提升焊接能量的传递效率,从而提高焊接的强度,根据相关人员研究在25-40μm之间随着焊接振幅的增加,PP材料和玻璃纤维聚合材料的焊接强度有明显提高,但是这些规律只满足于晶体材料,对于非晶体材料例如PS振动幅度的增加对焊接强度没有很大的影响,对于半晶体材料例如PE只有达到限定的振幅才会出现焊接强度增加的情况,当低于限定振幅时焊接强度会逐渐降低。
2.2焊接压力
焊接压力是影响材料焊接质量的最主要因素之一,焊接压力对焊接质量的影响是多方向的,但是从总体上来讲在给定的安全范围内随着焊接压力的增加焊接质量会逐渐增加,例如聚丙烯复合材料,当焊接压力逐渐从零增加到0.15MPa时,材料的焊接质量会有显著的提升,从0.15MPa增加到0.4MPa,材料的焊接质量基本保持不变并且在焊接压力超过0.4MPa时材料会出现严重破坏的现象。焊接压力主要是通过影响材料熔融层的厚度和取向程度进而影响焊接质量,焊接压力增加材料熔融层厚度减少焊接层的取向程度增加。
2.3焊接时间
焊接时间过长或者过短都会降低材料的焊接质量导致焊接强度的降低,通过对PP和PVC两种材料的焊接时间对质量的影响分析,发现焊接质量会随着焊接时间有一个先上升后下降的趋势,当焊接时间大约为0.5s时焊接的接口强度最大,但是超过这个时间就会明显下降,并且过长的焊接时间对焊接接口强度的影响小于过短的时间。除此之外焊接时间对于不同厚度的材料焊接质量具有相似的影响,通过对聚乙烯材料焊接时间分析,得出相似的实验结论。
参考文献
[1]孙会宁,马家举.ABS透明塑料低表面能基材粘接优化设计[J].塑料,2019,48(03):23-25+41.
[2]卞迎春,雷玉成.汽车塑料件超声波焊接技术[J].焊接,2020(03):46-49+67.
[3]刘晓光,蒋晓明,张理,黄丹,王振民.薄质金属超声波焊接的研究现状与展望[J].电焊机,2017,47(08):53-59.
[4]冯冰冰,张新昌,贺军.PP蜂窝板材的超声波焊接工艺参数研究[J].塑料工业,2019,47(11):55-58.
作者简介:谢锐,男,汉族,四川南充人,大专,助理工程师,主要负责新产品过程开发。