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超声波焊接的工艺参数有哪些?
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发表时间:2018-01-31 13:39

超声波焊接工艺参数

  超声波焊接主要工艺参数有:超声波振幅、焊接时间、保压时间、焊接压力、超声波频率等。最佳焊接规范随待焊组件和所用的焊接设备而定。焊接参数的调节取决于零件的尺寸和刚度,尤其是焊头接触点和焊接接头之间的距离。焊接能力受到塑料传递超声振动能力(且零件不受到损伤)的限制。

1.超声频率

  超声波常用的频率有20、30、40 kHz, 15 kHz常用于半结晶性塑料。20 kHz是最常用的超声波频率,因为这一频率熔化热塑性塑料必需的振幅和功率容易达到,但它可能产生大量难以控制的机械振动,工具变得很大。产生较少振动的较高频率(40 kHz)是可行的,一般用于焊接工程塑料和增强聚合物。高频率焊接设备的优点包括:噪声小、零部件尺寸小、增强零件保护(由于减少循环应力和接头界面外部区域不加选择的加热)、提高机械能量的控制、降低焊接压力、加快加工速度。缺点是由于零部件尺寸小,功率容量降低及由于振幅降低,难以进行远场焊接。较高频率超声波焊机通常用于焊接小型、精密零件(如电气开关)及材料降解需较少的零件。对于15 kHz的焊机能够快速焊接大部分热塑性塑料,在大多数情况下,比20 kHz焊机焊接时的材料降解少。用20 kHz勉强能焊的零件(尤其是那些由高性能工程树脂加工成的),用15 kHz能有效地焊接。在较低频率下,焊头有较长谐振长度,在所有维度可以做得更大。采用15 kHz的另一重要优点是同使用较高频率相比,大大降低了超声波在塑料中的衰减,允许焊接更软的塑料及更大的远场距离。

2.超声波振幅

  成功焊接取决于焊头端部的适当振幅。对于所有变幅杆/焊头组合,振幅是固定的。根据待焊材料选择振幅以获得适当程度的熔化。一般说来,半结晶性塑料与非结晶性塑料相比需更多的能量,因此需更大的焊头端部振幅。现代超声波焊机上的过程控制允许分阶。高振幅用于开始熔化,低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅会改善剪切接头设计零件的焊缝质量。对于对接接头而言,随着振幅的增加,焊缝质量提高且焊接时间减少。在用导能筋的超声波焊接中,平均热耗率(Qavg)取决于材料的复合损耗模量(Eʺ)、频率(ω)和作用应变(ε0): Qavg=ωε02 Eʺ/2 热塑性塑料的复合损耗模量与温度密切相关。在达到熔点或玻璃化转变温度时,损耗模量增加,更多的能量转化为热能。在加热开始后,焊接界面处的温度急升(达1 000 ℃/s)。作用应变与焊头的振幅成正比,所以可以通过改变振幅来控制焊接界面的加热。振幅是一个控制热塑性塑料挤压流动速率的重要参数。高振幅时,焊接界面加热速度较高,温度上升,熔化材料流动速度较快,导致分子取向增加,产生大量飞边及焊缝强度较低。高振幅对于开始熔化是必需的。太低的振幅产生不均匀的开始熔化和过早的熔体凝固。当增加振幅时,更大量的振动能量消耗在热塑性塑料中,待焊零件承受更大应力。在整个焊接循环过程中振幅恒定时,通常采用的是对待焊零件不至于产生过量损害的最高振幅。对于结晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯,振幅的影响比非结晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。这可能是由于结晶性塑料的熔化和焊接需要更多的能量。振幅可以机械调节(通过更换变幅杆或焊头)或者电气调节(通过改变提供给换能器的电压)。在实践中,较大振幅调节采用机械方式而微调用的是电气方式。高熔点材料、远场焊缝及半结晶性塑料通常需要比非结晶性塑料和近场焊缝更大的振幅。非结晶性塑料典型的总振幅范围是30~100 μm,而结晶性塑料为60~125 μm。振幅分阶(amplitude profiling)能够实现良好的熔体流动和一致的高焊缝强度。对于组合的振幅和力分阶,高振幅和作用力用于开始熔化,然后振幅和作用力下降以降低沿焊合线的分子取向。

3.  超声焊接时间

焊接时间是施加振动的时间。每一用途合适的焊接时间由试验确定。增加焊接时间会提高焊缝强度直至达到最佳时间为止。进一步增加焊接时间会导致焊缝强度降低或者只是稍稍增加强度,而与此同时会增加焊缝飞边和提高产生零件压痕的可能性。避免过焊是很重要的,因为会产生需修整的过量飞边,这可能降低焊缝质量,在需密封接头的零件中产生漏隙。焊头可能擦伤表面。较长焊接时间时在远离接头区域的零件部分还可能出现熔化和断裂,尤其在模制件中的孔洞、焊合线和尖角处是这样。

4.  保压时间

  保压时间是指焊后零件在无振动压力下结合和凝固的标称时间。在大部分情况下,它并不是一个关键参数,0.3~0.5 s一般足够了,除非内载荷易于拆开焊接零件(如焊前压缩的螺旋弹簧)

5.  焊接压力

  焊接压力提供了焊头与零件耦合所需的静力,以便振动传入零件中。在焊接循环的保压阶段接头处的熔化材料凝固时,同样的静载荷确保零件连成一体。最佳压力的确定对于良好焊接是必不可少的。如果压力过低,会造成能量传递差或不足的熔体流动,导致不必要的长时间焊接循环。增加焊接压力会减少实现相同位移所需的焊接时间。如果压力过高,会造成沿流动方向的分子取向及降低焊缝强度,可能产生零件压痕。极端情况下如果相对于焊头端部振幅来说压力过高,可能会过载、使焊头停止。在超声波焊接中,高振幅需低压力,低振幅需高压力。随着振幅的增加,可接受的压力范围变窄。因此高振幅时最重要的是找到最佳压力。大多数超声波焊接是在恒压或恒力下进行的。对于某些装置,循环过程中力是可以改变的,即进行力分阶(force profiling),在超声波能量施加给零件期间焊接作用力减小。在焊接循环后期下降的焊接压力或作用力减少了从接头处的材料挤出量,延长分子间扩散时间,减低分子取向并提高焊缝强度。对于有较低熔体黏度类似聚酰胺的材料而言,这可能大大提高焊缝强度。

6.  焊接模式

  按时间焊接称之为开环过程。待焊零件在焊头下降和接触之前装配于工装夹具之中。然后超声波作用于组件一段固定时间,通常是0.2~ 1 s。这个过程并不出现成功焊接。成功焊接是在假设固定的焊接时间导致固定量的能量作用于接头,产生可控量的熔化条件下的理想情况。实际上,从一个循环到下一循环保持振幅吸收的功率并不是一样的。这是由于多个因素造成的(如两零件之间的配合)。因为能量随功率和时间而变化,时间固定,施加的能量从一个零件到下一零件会发生改变。对于一致性非常重要的大批量生产,这显然是不合乎要求的。按能量焊接是具反馈控制的闭环过程。超声波机器软件测量吸收的功率并调节加工时间以便向接头传递所需的能量输入。这个过程的假设是如果每道焊缝消耗的能量相同,接头处熔化材料的数量每次是相同的。然而实际情况是在焊接套件中以及尤其在焊头和零件界面处存在能量损耗。结果,某些零件可能比其它零件获得更多的能量,可能造成焊缝强度不一致。按距离焊接允许零件按特定的焊接深度连接。这种模式运作不取决于时间、吸收的能量或功率,补偿模制件中的任何尺寸偏差,因而最好地保证了每次在接头中熔化相同数量的塑料。为了控制质量,可以对形成焊缝所用的能量或所花的时间设定限度。


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