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超聲波焊接原理、材料選擇和焊縫設計(上)

作者:總管理員   時(shí)間:2022-01-11 11:18:36  來(lái)源:未知   瀏覽:1871次
超聲波焊接利用高頻超聲波能量(15-50 khz)產(chǎn)生低振幅(1-100μm)機械振動(dòng)。這種振動(dòng)傳遞到部件連接接頭處,產(chǎn)生熱量,導致熱塑性材料熔化,冷卻后形成焊縫。超聲波焊接是目前已知的最快的焊接技術(shù),焊接時(shí)間通常在0.1秒到1.0秒之間。

振源越靠近焊縫接頭,因為材料吸收損失的能量就越小。當振源到接頭的距離小于6.4mm時(shí),該過(guò)程被稱(chēng)為近場(chǎng)焊接。適用于具有高能量吸收特性的結晶材料和低剛度的材料。當振源到接頭距離大于6.4mm時(shí),該過(guò)程被稱(chēng)為遠場(chǎng)焊接。適用于具有低能量吸收特性的無(wú)定形材料和高剛度材料。

在焊接過(guò)程中,超聲波振動(dòng)垂直于接頭表面。導能筋上尖點(diǎn)在壓力下與被焊接零件接觸。在尖點(diǎn)上產(chǎn)生大量的熱,導能筋開(kāi)始熔化。焊接過(guò)程可分為4個(gè)階段。

    超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與其它塑料焊接工藝相比,生產(chǎn)效率更高,成本更低。模具設計相對簡(jiǎn)單,可實(shí)現快速換模,增加了設備的利用率和通用性。因為焊縫中不引入其它輔助焊接材料,所以焊縫干凈無(wú)雜質(zhì),不影響設備的生物相容性,也廣泛使用在要求更高的醫療保健行業(yè)。

應用領(lǐng)域

醫學(xué):過(guò)濾器、導管、醫用服裝、口罩。

電子和電器:開(kāi)關(guān)、傳感器、執行器等。


聚合物結構

半結晶塑料(Semicrystalline plastics)的分子結構有序排列。需要高熱量才能打斷其有序排列。熔點(diǎn)(Tm)很尖銳,只要溫度稍微下降,液態(tài)就會(huì )迅速發(fā)生固化。因此,從熱熔區域流出的熔體會(huì )迅速凝固。當處于固態(tài)時(shí),半結晶材料分子特性像彈簧,會(huì )吸收很大一部分超聲波振動(dòng),而不是將振動(dòng)傳遞給接頭區域。因此對于半結晶材料,需要采用高幅值輸出的焊頭,以產(chǎn)生足夠的熱量。

熱塑性塑料中的填充劑(玻璃纖維、滑石粉、礦物質(zhì))可以增強或抑制超聲波焊接。材料如碳酸鈣、高嶺土、滑石粉、氧化鋁,有機纖維、二氧化硅、 玻璃球、偏硅酸鈣(硅灰石)和云母能夠提高樹(shù)脂的硬度。研究表面,當填充劑含量20%時(shí),能有效增強超聲波振動(dòng)在材料中的傳輸效率,尤其對半結晶材料效果顯著(zhù)。

當填充劑含量超過(guò)10%時(shí),材料中的磨料顆粒會(huì )導致焊頭磨損。因此,建議使用硬質(zhì)合金鋼焊頭,或者表面有碳化鎢涂層的鈦合金焊頭??赡苓€需要選擇更高功率的超聲波設備,以便在接頭處產(chǎn)生足夠的熱量。

雖然添加劑可以改善材料的整體性能或注塑成形特性,但往往抑制了超聲波焊接。典型的添加劑有潤滑劑、增塑劑、沖擊改性劑、阻燃劑、著(zhù)色劑、發(fā)泡劑和重新研磨使用的樹(shù)脂。

增塑劑,高溫有機液體或者低溫熔融固體增加了材料的柔軟性,降低了材料剛度。它們降低了聚合物內部分子間的吸引力,干擾了振動(dòng)能量的傳遞。高塑化材料如乙烯基,是非常差的超聲波振動(dòng)傳遞材料。增塑劑被認為是內部添加劑,但隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )遷移到塑料表面,從而使得超聲波焊接幾乎無(wú)法實(shí)現。

材料中添加的阻燃劑、無(wú)機氧化物或鹵化有機元素(如鋁、銻、硼、氯、溴、硫、氮或磷),能夠抑制火點(diǎn)或改變材料的燃燒特性。在大多數情況下,它們是不可以焊接的。阻燃劑可占材料總重量的50%或以上,大大減少了可焊接材料的含量。對于此類(lèi)材料焊接,必須選擇高功率設備和大振幅焊頭,以及修改接頭設計增加接頭區域可焊接材料的含量。

發(fā)泡劑降低了材料傳遞超聲波振動(dòng)的能力。因為材料的低密度,以及分子結構中的大量孔隙,干擾了能量的傳遞。

脫模劑

此外,脫模劑對樹(shù)脂會(huì )造成化學(xué)污染,即抑制適當化學(xué)鍵的形成。其中硅酮影響最為有害。脫模劑有時(shí)可以用溶劑去除。如果必須要使用脫模劑,那么選擇適合的等級,防止脫模劑轉移到零件表面。
相同材料的不同等級可能具有不同的熔化溫度和流動(dòng)指數。甚至一種等級可以融化和流動(dòng),而另一種等級卻無(wú)法焊接。例如,PMMA的鑄造等級具有較高的分子量和熔化溫度,比注射/擠壓等級的PMMA更脆。因此它們更難焊接。

含水量

不同種材料

只有具有化學(xué)相容性(即具有相似分子結構)的材料才能焊接。材料相容性只存在于無(wú)定形材料之間。例如ABS與PMMA,PC和PMMA,PS和改良的PPO。半結晶塑料PP和PE具有相似的物理特性,但是不具有材料相容性而無(wú)法焊接。下表列出了用于超聲波焊接的熱塑性塑料的材料相容性。

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