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塑料超声波焊接工艺研究进展
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发表时间:2017-04-08 23:42

文摘:从焊接设备、焊接材料、工艺参数等方面综述了塑料超声波焊接质量的进展。选择高频焊接设备、使用低熔点、高表面摩擦系数的材料,选择适宜的焊接时间和压力,有利于提高焊接质量,并指出了塑料超声波焊接质量的控制方法和检测手段的发展方向。

关键词:超声波焊接,焊接质量,塑料焊接

1前言

塑料超接技是借助超波使塑料件接面的分子快速融合在一起的加热连接方法。利用超生器2040KHz的高频电能,能通过换能器率的向机械振这种过调幅器和焊头传递给放置在基座上的试样在机械振引起的动态机械力作用下使区试样表面度升高熔化,出形成一定厚度的熔化接后在一定时间内保持力,直到熔化冷却凝固成可靠的接[1]

塑料超接技时间短、表面无坏、域不发热点, 目前已广泛地用于航空航天、表、食品包装等域。迄今止,各究者对它进行了大量的究工作,主要集中在接工艺参数[23][4]设备[5]等方面,本文从焊设备接材料、工艺参数方面述了量的展情量控制方法和检测手段的展情

2设备

塑料超接工展起的。最早是由美国琼斯等人在1950年提出。1960年代后,、日本、瑞士、英、德和前苏联开始在实际产过程中使用这种。美Brason能器材公司、日本的海上机株式社、松下电气、德KLN公司以及俄斯、瑞典都制生了塑料超设备设备率一般在2040kHz功率一般在几百瓦到几十千瓦之[6]现阶设备究主要集中在提高接功率和率以及采用新型振模式等方面,出40KHz以上的超波振[7~8],以及[9][9][10]、以及向-[11]模式的设备用此设备来焊声发射特性差的材料。此外,田修波等[12]塑料超波的气动统进究,力可的塑料超接机,能得到更好的量。

3接材料

接原上可以接所有的塑性塑料。按照接技特性的功能可以把高分子材料分[13~14]

(1)柔性材料,指软质、低性模量材料;  

2性材料,指高性模量和低机械振阻尼因子材料,例如聚PS)、聚甲基丙酸甲PMMA)、聚酰胺PA);  

3)所有的高分子薄膜、高分子合成纤维、由薄膜和纤维组成的布。

3.1接材料物性参数

一般来说,塑料超波可性取于公式

塑料超声波可焊性公式


K-件形因子;   E-性模量;   μ-摩擦系   λ-热导率

ρ-密度;   C-容;   t-熔点。

超声波焊接工艺图

温度与塑料厚度关系图

公式(1)可知,与弹性模量、摩擦系热导率成正比,其密度、比容、熔点成反比。其中量主要材料的熔点和表面摩擦系[15]参数因材料和度的不同而不同,它们程中的响焊域的度、力和形,而影响焊量。但是超时间很短,很过试验控制参数化,国内者利用数值方法决这问题。例如[16]利用有限元方法分析超程中聚PVC)的物理参数的影,得到了度沿试样厚度的律(1)。此外,塑料的分子量与焊接接强度有一定比例系。分子量高,熔融分子动扩散需要的超波能量就大,力、振幅和时间就要增加,容易造成接接强度降低[17]

3.2接材料改性

塑料的改性对焊量也有影,其中究最多的是聚醚醚酮PEEK)和聚丙PP)基合材料。趋势来看,在同一工艺参数料的加入都会给焊带来负面影。例如Sancaktar[18]在相同工艺参数改性聚丙烯进行了超接,对焊接接强度的影各不相同,接强度和裂伸着每种填料含量的增加而下降;  Liu[19]玻璃纤维增强聚丙烯进行了超究,发现焊接接强度纤维含量的增加而降低。

但在不同工艺参数下,改性材料得到的于未改性材料。  Liu[20]不同含量玻璃纤维(15%35%)增强的尼龙复合材料的超接工艺参数进行了究,发现纤维含量增加后,只要延长焊时间接接强度就增加。因此,纤维料加入能提高材料的硬度,有利于超波的传递只要在合适的工艺条件下料的增加可以提高接接强度。

3.3材料搭接

材料搭接度的增加使接接强度降低。为随着搭接度增加,接接头边缘应力集中增加,边缘的微裂多,接强度降低。  Matsuoka[21]接用合法(Paper-making)和浸法(impregnation)制的玻璃纤维改性PP接接强度都度增加而降低。

3.4材料表面粗糙度

增加材料表面粗糙程度可以降低阻抗,提高表面能流密度,而提高其量。侯旭光等[22]PP包装袋的

程中发现,采用表面有制花的膜材料能得到更高的量,比表面光滑的PP膜的接接强度提高接近一倍。

3.5接面到焊头距离

材料接面到焊头的距离到半波长值时焊接接强度最大。波在塑料中传递主要是向波,最大向波峰

往往出在半波距离接近半波长时传递给焊接界面能量最多,能得到良好的接接针对不同厚度的HS1000(芳基磷酸和粘土改性的聚苯醚,半波长为96.5px行超接,发现存在界厚度38.6mm,小于界厚度时焊接接强度和伸厚度的增加而增加,大于界厚度时焊接接强度迅速降低[23]

塑料超声波焊接工艺

4艺参数

塑料超接包括振幅、时间力等多工艺参数些工艺参数以及参数的共同作用都

量有影


4.1超声波接振幅

振幅是塑料在超首要选择的工艺参数材料在特定的超率下都有适宜的振幅范1了几常用的塑料在20KHz下所需的振幅范超声波振幅,超声波焊接振幅

1塑性塑料所需的振幅范[16]

在适宜的振幅范围内,振幅增加有利于超波能量的散,而提高接接强度。例如Sancaktar[18]40μm53μm振幅范围内发现PP接强度振幅的增加而呈上升趋势   Liu[19]25μm40μm振幅范围研PP和玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,发现焊接强度振幅增加而增加。

但是振幅对焊量的影响并不完全足上述律。  Benatar[2425]1μm60μm振幅范围内研究塑料超接,发现非晶材料PS  ABS接接强度受振幅化的影不大;半晶材料PE  PP振幅25μm接接强度振幅增大而增加,小于25μm恰好相反,而且发现振幅15μm塑料的接接强度大,得注意。[26]熔融厚度角度一步述了振幅与焊量的系,试验表明熔融厚度振幅增大而略微小,PS接接的剪切强度增加,曲强度降低。

此外,塑料接所需的振幅接形式种类设备频率的影。嵌接所需振幅大,而平面所需振小。  90kHz的超波塑料设备的振幅是27kHz设备振幅的三分之一,  90kHz的超波能使接面度更快地升高到高的[27]

4.2

在其他因素确定的情下,取得较优焊接接强度的力存在一定范例如Matsuoka[22]玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料搭剪试样进行了试验研究, 力小于0.15MPa强度随压力增大而增加,超0.15MPa后接强度到一较稳定的状态约为35MPa当焊力超0.4MPa,聚丙烯会从基体中出,接接强度降低。

对焊量的影较复杂。周生玉等[28]PP发现对焊接熔融的厚度和取向程度有

大影力增加,熔融厚度小,接接的取向程度增加,宏现为焊力增加,接沿取向方向的剪切强度增加,垂直于取向方向的曲强度降低。  Harras[29]碳纤维增强聚醚醚酮复合材料板,发现断与焊中的据点很分散,过红外光电镜对断面分析,发现分子取向对焊量的影不明材料分子取向对焊量的影响还一步的究。


4.3时间

实验证明,要想得到良好的接接须选择时间过长短的时间造成接接强度的下降。

Benatar[2425]发现在近程PP、高密度聚乙烯时接接强度时间的增加而增加,当焊时间一定1.5s)后,接接强度始下降。ABS  PS接中出现类似情折点在2.4s附近。超PVC 板材[16]  PP包装袋[21]的正交试验发现焊时间现转折点,见图4不同焊接时间与焊接头质量关系图

超声波焊接工艺

不同焊接时间与焊接头质量关系图

时间不受材料的厚度影,薄膜的超接同存在较优时间德光[30]对双向拉伸聚/低密度

聚乙烯复合膜行了超究,果表明时间对焊接接头质量的影响规上述一致,在0.25s时焊缝热强度和冷强度均

4.4压时间和保压压

波停止后,了使试样相互紧贴固化,而使工件能很好地接在一起,需要在一定时间内保持一定的力,所需的时间力就是保压时间和保压压力。[31]压时间和保压压对焊接接强度的影是正面的,但相于其艺参数压时间和保压压对焊接接强度的影很小。

4.5超声波焊头下降速度

焊头下降速度越快,到的接接强度越高。在超程中,高的下降速度能得到高的接触压力,有利于

接界面密地接和分子充分地散。文[23]表明使用25mm/s  50mm/s  100mm/s种焊头下降速度来焊HS1000,下降速度增加到100mm/s的平均接接强度更高,28.38MPa




5量控制和检测

塑料超接的时间短、表面无损伤对焊量控制和价比目前量控制模式包括时间控制模式、

行程控制模式、振幅控制模式和能量控制模式等。时间控制模式是传统接控制模式,通过达到超声时间就停止接的方式控制量,这种方法结构简单,易实现;行程控制模式是允出及时间下,通控制程中的熔塌距离控制材料的熔化量,证焊[32];振幅控制模式是利用超生器的电参来调节的振幅出,来达到控制量的目的[33]能量控制模式以试样所需能量作为焊程控制的关键参数胡振海等开发了一套以入到件的实际能量为关键参数的控制系,使用此系统对PMMA  PS等塑料行超接,果表明系统运定,量可靠[34]

目前往往的外观质量和接的力性能方面行超波塑料价,常用方法有超检测法、  X线检

法、视觉检测和批量破坏试验等,测试方法都针对焊接后的试样进行,因此取得最佳的量需要行多次试验。近年来实时跟踪检测焊量的方法成为研点,   Benetar[35]发现在超程中材料界面的阻抗熔融高分子流有密切系,以此依据可以在线监量。董震等[36]过对程中声学统输入端的电参数进行在线检测,超有效地反映程的,为实现焊量控制提供了借手段。  Ling[37]利用压电陶瓷的号来监控超接接头质量,能很好反映在程中塑性塑料的-机械行对焊量的检测  Chuah[38]、梁延德[39]士勤[40]在靠近接界面的熔化中心埋入热电偶,发现焊接界面的随焊时间变律是一致的,度先迅速上升短时间慢下降,很好的反映在不同工艺参数度的化情为焊量的控制提供考依据。


6

塑料超接机复杂量受多因素影材料,首先要考虑焊设备选择,高频焊设备能得到较优量,其次考材料的其可性,低熔点、高表面摩擦系的材料可得到较优焊量,加入适量的增强材料能提高量;第三,超波的振幅、时间力是影响焊量的主要工艺参数,得到量的三艺参数都存在一定的范

着超接技在塑料域中越越多的用,受到塑料加工成型的工作者的重但由于塑料超时间短,接机理复杂以控制,限制了超接工在塑料域中的一步使用。

需要以下几方面一步加强超接技  

1究新型的设备制具有高率和高功率的设备  

2)深入究不同材料域的状态,包括熔融厚度、晶度、取向程度、化学组分等,深入究塑料超接技的机理;

3针对不同材料接工化,建立设备、工艺参数、常用材料的对应关律,实验,降低成本; 4一步完善塑料超量的检测手段,尤其是展完善实时跟踪监测方法。


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