超聲波塑料焊接的原理和理論

PAGEPAGE4超聲波塑料焊接機(jī)的原理和理論隨著材料工業(yè)的迅速民展，其中以重量輕、摩擦力小、耐腐蝕、易加工的塑料及其金屬的復(fù)合材料的應(yīng)用受到人們的重視。塑料的各種制品，已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用到航空、船舶、汽車、電器、包裝、玩具、電子、紡織等行業(yè)。然而，由于注塑工藝等因素的限制，在相當(dāng)一部分形狀復(fù)雜的塑料制品不能一次注塑成型，這就需要粘接，而沿用多年的塑料粘接和熱合工藝又相當(dāng)落后，不僅效率低，且粘接劑還有一定的毒性，引起環(huán)境污染和勞動(dòng)保護(hù)等問(wèn)題。傳統(tǒng)的這種工藝已不能適用現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展需要，于是一種新穎的塑料加工技術(shù)——超聲波塑料焊接以其高效、優(yōu)質(zhì)、美觀、節(jié)能等優(yōu)越性脫穎而出。超聲波塑料焊接機(jī)在焊接塑料制品時(shí)，即不要填加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡(jiǎn)便、焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波焊接技術(shù)越來(lái)越廣泛地獲得應(yīng)用。一．超聲波塑料焊接機(jī)的工作原理。當(dāng)超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬(wàn)次的高頻振動(dòng)，這種達(dá)到一定振幅的高頻振動(dòng)，通過(guò)上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時(shí)間等三個(gè)因素，焊接時(shí)間和焊頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個(gè)量相互用有個(gè)適宜值，能量超過(guò)適宜值時(shí)，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能達(dá)大。這個(gè)最佳壓力是焊接部分的邊長(zhǎng)與邊緣每1mm的最佳壓力之積。超聲波焊接是熔接熱塑性塑料技制品的高科技技術(shù)，各種熱塑性膠件均可使用超聲波焊接處理，而不需加溶劑，粘接劑或其他輔助品，其優(yōu)點(diǎn)是增加多倍生產(chǎn)率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

超聲波塑膠焊接原理:由發(fā)生器產(chǎn)生20KHZ，（或15KHZ）的高壓，高頻信號(hào)，通過(guò)換能系統(tǒng)，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，加于塑料制品工件上，通過(guò)工作表面及內(nèi)在分子間的磨擦而使傳導(dǎo)到接口的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到此工件本身的熔點(diǎn)時(shí)，使工件焊接口迅速溶化，繼而填充于接口間的空隙，當(dāng)振動(dòng)停止，工件同時(shí)在一定的壓力下冷卻定型，便達(dá)成完美的焊接.二．超聲波焊接是如何工作的。

超聲波焊接原理是通過(guò)超聲波發(fā)生器將50/60赫茲電流轉(zhuǎn)換成15、20、30或40千赫茲電能。被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過(guò)換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，隨后機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)一套可以改變振幅的調(diào)幅器裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動(dòng)能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區(qū)域，振動(dòng)能量被通過(guò)摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，將塑料熔化。超聲波不僅可以被用來(lái)焊接硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜。

一套超聲波焊接系統(tǒng)的主要組件包括超聲波發(fā)生器，換能器/調(diào)幅器/焊頭三聯(lián)組，模具和機(jī)架。三、起聲波塑料焊接機(jī)的組成及其作用超聲波塑料焊接機(jī)由氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器、換能器及工具頭和機(jī)械裝置等組成。1、氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括有：過(guò)滹器、減壓閥、油霧器、換向器、節(jié)流閥、氣缸等。工作時(shí)首先由空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)沖程氣缸，以帶動(dòng)超聲換能器振動(dòng)系統(tǒng)上下移動(dòng)，動(dòng)力氣壓在中小功率的超聲波焊接中氣壓根據(jù)焊接需要調(diào)定。2、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由時(shí)間繼電器或集成電路時(shí)間定時(shí)器組成。主要功能是：一是控制氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作，使其焊接時(shí)在定時(shí)控制下打開(kāi)氣路閥門，氣缸加壓使焊頭下降，以一定壓力壓住被焊物件，當(dāng)焊接完后保壓一段時(shí)間，然后控制系統(tǒng)將氣路閥門換向，使焊頭回升復(fù)位；二是控制超聲波發(fā)生器工作時(shí)間，本系統(tǒng)使整個(gè)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作時(shí)只啟動(dòng)按鈕產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，便能自動(dòng)地完在本次焊接全過(guò)程。整個(gè)控制系統(tǒng)的順序是：電源啟動(dòng)一觸發(fā)控制信號(hào)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，氣缸加壓焊頭下降并壓住焊觸發(fā)超聲發(fā)生器工作，發(fā)射超聲并保持一定焊接時(shí)間去除超聲發(fā)射繼續(xù)保持一定壓力時(shí)間退壓，焊頭回升焊接結(jié)束。

UltrasonicWelding2

UltrasonicWelding3

UltrasonicWelding4.彎曲/生成

音波將配件的一部分熔化再組成一個(gè)塑料的突起部位或塑料管或其它擠出配件。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于處理的快速，較小的內(nèi)壓，良好的外觀及對(duì)材料本性的克服。

點(diǎn)悍

點(diǎn)焊是對(duì)沒(méi)有預(yù)留也或能源控制的兩個(gè)熱塑塑料組件的局部焊接。點(diǎn)焊也能產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)有力的粘合構(gòu)造，尤其適合一些大型配件、有突起的塑料片或澆注的熱塑塑料以及那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以進(jìn)入接合面的產(chǎn)品。

剪切

切和封口一些有序與無(wú)序的熱塑材料的超音波工藝。用這種方法密封的邊緣不開(kāi)裂，且沒(méi)有毛邊、卷邊現(xiàn)象。

紡織品/膠片的密封紡織品品及一些膠片的密封也可用到超音波。它可對(duì)膠片實(shí)行緊壓合，還可對(duì)紡織品進(jìn)行整潔的局部剪切與密封?？p合的同時(shí)也起到了裝飾的作用。

影響超音波焊接的因素

說(shuō)起熱塑塑料的可焊接力，不能不說(shuō)到超音波壓合對(duì)各種樹(shù)脂的要求。其最主要的因素包括聚合物結(jié)構(gòu)，熔化溫度、柔韌性（硬度）、化學(xué)結(jié)構(gòu)。

聚合物結(jié)構(gòu)

非結(jié)晶聚合物分子排列無(wú)序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動(dòng)的溫度（Tg玻璃化溫度）。這類樹(shù)脂通常能有效傳輸超音速振動(dòng)并在相當(dāng)廣泛的壓力/振幅范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的焊接。

半結(jié)晶型聚合物分子排列有序，有明顯的熔點(diǎn)（Tm熔化溫度）和再度凝固點(diǎn)。固態(tài)的結(jié)晶型聚合物是富有彈性的，能吸收部分高頻機(jī)械振動(dòng)。所以此類聚合物是不易于將超聲波振動(dòng)能量傳至壓合面，幫要求更高的振幅。需要很高的能量（高熔化熱度）才能把半結(jié)晶型的結(jié)構(gòu)打斷從而使材料從結(jié)晶狀態(tài)變?yōu)檎沉鳡顟B(tài)，這也決定了這類材料熔點(diǎn)的明顯性，熔化的材料一旦離開(kāi)熱源，溫度有所降低便會(huì)導(dǎo)致材料的迅速凝固。所以必須考慮這類材料的特殊性（例如：高振幅、接合點(diǎn)的良好設(shè)計(jì)、與超音夾具的有效接觸、及優(yōu)良的工作設(shè)備）才能取得超聲波焊接的成功。

聚合物：熱塑性與熱固性

將單體結(jié)合在一起的過(guò)程稱為“聚合”。聚合物基本可分為兩大類：熱塑性和熱固性。熱塑性材料加熱成型后還可以重新再次軟化和成型，基所經(jīng)歷的只是狀態(tài)的變化而已-這種特性使決定了熱塑性材料超音波壓合的適應(yīng)性。熱固性材料是通過(guò)不可逆反的化學(xué)反應(yīng)生成的，再次加熱或加壓均不能使已成型的熱固性產(chǎn)品軟化，所以傳統(tǒng)上一直認(rèn)為熱固性材料是不適合使用超音波的。

熔化溫度

聚合物的熔點(diǎn)越高，其焊接所需的超音波能量越多.

硬度（彈力系數(shù)）

材料的硬度對(duì)其是否能有效傳輸超音速振動(dòng)是很有影響的?？偟恼f(shuō)來(lái)，愈硬的材料其傳導(dǎo)力愈強(qiáng)。

超聲波熔接：

以超聲波頻率振動(dòng)的焊頭，在預(yù)定的時(shí)間及壓力下，磨擦生熱，令塑膠接面相互熔合，既牢固，又方便快捷

超聲波埋插：

由焊頭送到金屬及塑膠間的超聲波震動(dòng)，磨擦生熱令塑膠接觸面熔化，使金屬椿擠入塑膠孔內(nèi)。

超聲波鉚接，成形包覆：

塑膠件上的梢子，通過(guò)金屬件的孔，以高震幅焊頭震動(dòng)梢端，使其熔解，順著焊頭的接觸面變?yōu)殂T釘形狀，將金屬板鉚住

超聲波點(diǎn)焊

將兩層塑膠板焊接，焊頭中央的導(dǎo)梢以超波震動(dòng)攢穿上層塑膠板，由于震動(dòng)能產(chǎn)生離析，塑膠接面間接產(chǎn)生磨擦熱，令兩層塑膠板熔接。超聲波焊接的焊口設(shè)計(jì)：

兩個(gè)熱塑性塑料零件的超聲波焊接要求超聲波振動(dòng)通過(guò)焊接頭傳遞到組合件的上半部,最后傳至兩半的結(jié)合處或界面上.在此,振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能,用以熔化塑料.當(dāng)振動(dòng)停止后,塑料在壓力下固化,在結(jié)合面上產(chǎn)生焊接.

兩個(gè)結(jié)合表面的設(shè)計(jì),對(duì)于獲得最佳焊接結(jié)果來(lái)說(shuō)是非常重要的.有各種各樣的連接設(shè)計(jì),每一種都有特色和優(yōu)點(diǎn).各種設(shè)計(jì)的使用取決于許多因素,例如塑料類型、零件幾何形狀、焊接的要求（即粘性、強(qiáng)度、密封等）.

夾具裝置：

塑料超聲波焊接的一個(gè)重要因素是夾具裝置.夾具裝置的主要用途是固定零件,使之與焊接頭對(duì)準(zhǔn),同時(shí)對(duì)組合件提供適當(dāng)?shù)闹?被焊接的材料、零件幾何形狀、壁厚和零件的對(duì)稱性均可影響能量向界面的傳遞,因此設(shè)計(jì)夾具時(shí)必須加以考慮.

某些用途,例如鉚接和嵌插,要求在焊接頭接觸區(qū)下面有堅(jiān)硬的承托裝置.鋁質(zhì)的夾具裝置可提供必要的剛度,可以鍍鉻來(lái)防止零件出現(xiàn)疤痕和提高耐磨性.

在一些用途中,夾具必須具有一定程度的彈性以保證在連結(jié)區(qū)產(chǎn)生異相狀態(tài).異相狀態(tài)一般在最差的結(jié)合處出現(xiàn),這是待焊接的范圍；不過(guò),由于某些零件材料和幾何形狀,結(jié)合的兩半可能合成一整體,上下同時(shí)振動(dòng),如果這種狀態(tài)出現(xiàn),將承槽由剛性材料改為彈性材料,或者將硬度計(jì)由軟性材料改為另一種材料,往往足以在連結(jié)區(qū)重新建立異相狀態(tài).

簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)性?shī)A具可用木料、環(huán)氧樹(shù)脂或熟石膏建造.對(duì)于更精密、更長(zhǎng)壽命的夾具將要用鋁、鋼、黃銅、鑄塑尿烷,或其它的彈性材料.夾具設(shè)計(jì)范圍廣,從快速拆卸夾具到簡(jiǎn)單的金屬板均有.應(yīng)用的要求和生產(chǎn)率通常決定夾具的設(shè)計(jì)。上圖表示簡(jiǎn)單的對(duì)接焊連接和有能量導(dǎo)向部分的理想連接的時(shí)間--溫度曲線.能量導(dǎo)向部分允許迅速焊接,同時(shí)達(dá)到最大的強(qiáng)度.在導(dǎo)向部分的材料如圖示在整個(gè)結(jié)合區(qū)內(nèi)流動(dòng).上圖表示焊前按要求比例設(shè)計(jì)能量導(dǎo)向部分改進(jìn)對(duì)接焊與導(dǎo)致的材料流動(dòng).工件尺寸的選擇應(yīng)是如圖示能量導(dǎo)向部分熔化后足夠分布于結(jié)合面之間,通常,對(duì)于易焊的樹(shù)脂能量導(dǎo)向部分最小高度為0.010英寸（0.25毫米）.對(duì)于某些需要高能量的樹(shù)脂,即結(jié)晶型、低剛度或高熔化溫度的非晶型（例如聚碳酸酯、聚砜）樹(shù)脂,需要較大的能量定向部分,其最小高度為0.020英寸（0.5毫米）。在工件之間對(duì)齊的方法,例如銷釘和插口,應(yīng)包括在工件設(shè)計(jì)中。必須指出,為熔劑焊封所作的設(shè)計(jì)一般可以修改,以符合超聲波焊接的要求。

要避免：

能量導(dǎo)向部分設(shè)計(jì)的典型錯(cuò)誤是將結(jié)合面削成45度的斜面.上圖表示這樣做的結(jié)果.上圖表示便于對(duì)齊的階梯式連接.這種連接設(shè)計(jì)適合于在側(cè)面不宜有過(guò)多的熔體或溢料之場(chǎng)合

榫槽連接法：

主要用于焊接和防止內(nèi)外燒化.不過(guò),需要保持榫舌兩側(cè)的間隙使