超聲波塑料焊接工藝及應(yīng)用

超聲波塑料焊接工藝及應(yīng)用

0焊接件之間的連接超聲波塑料焊接工藝是一種固相焊接工藝。通過高頻彈性振動和焊接材料之間的靜壓力平衡，實現(xiàn)焊接材料之間的連接。在用超聲波塑料焊接機(jī)來進(jìn)行焊接時，既不用其他的輔助的焊接添加劑，也不會消耗大量的熱能，具有整體焊接操作比較簡單，焊接的效率高等優(yōu)勢1超聲波塑料焊接介紹1.1塑料工件熔接法超聲波塑料焊接是通過超聲波振動摩擦后產(chǎn)生熱量的原理（把2個需要焊接的塑料工件放在一起壓緊，其中一個工件固定住不動，另一個工件做直線往復(fù)運(yùn)動，從而通過摩擦產(chǎn)生熱量，然后把2件塑料工件的熔接線熔化、固接），在壓力作用下相互摩擦后產(chǎn)生分子層直接熔合的一種焊接法。超聲波塑料焊接可以確保焊接后非常牢靠，不僅性能得到保證，還有很好的外觀效果。1.2局部高溫的產(chǎn)生原因當(dāng)熱塑性的塑料受到超聲波的作用時，在接觸面上會有高頻率的振動，這種高頻振動會生成超聲能量從而造成焊接區(qū)域產(chǎn)生局部的高溫。另外由于塑料本身的導(dǎo)熱性能比較差，無法及時地散發(fā)高溫，導(dǎo)致高溫聚集在焊接區(qū)域，從而使接觸面的位置被快速熔化，然后再通過施加外部壓力作用后使它們?nèi)诤显谝黄?。?dāng)要停掉超聲波時，外部壓力施加的作用還要再維持?jǐn)?shù)秒，確?？梢猿浞帜坛尚停瑥亩鴮崿F(xiàn)焊接的目的1.3超聲波焊接設(shè)備在進(jìn)行超聲波焊接時要根據(jù)不同的產(chǎn)品類型來選擇相應(yīng)適合的超聲波焊接設(shè)備，以下對超聲波的焊接過程和設(shè)備進(jìn)行介紹。1.3.1變幅桿機(jī)械能轉(zhuǎn)換首先利用超聲波發(fā)生器把50Hz電流轉(zhuǎn)換為15kHz～40kHz的高頻電能。然后通過換能器把高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，之后再通過變幅桿裝置把機(jī)械能傳遞到焊頭。最后這些振動能量透過焊頭傳送到要焊接工件的接合部位，在這部位，振動所產(chǎn)生的能量利用摩擦生熱的方式后會轉(zhuǎn)換成高溫?zé)崮馨岩附拥乃芰线M(jìn)行熔化。如圖2所示。1.3.2設(shè)備的主要部件介紹1.3.2.1超聲波發(fā)生器將50Hz的電能轉(zhuǎn)換成15kHz～40kHz的高頻電能。然后再驅(qū)動超聲波換能器進(jìn)行工作。1.3.2.2超聲波清洗機(jī)將高頻率的電能轉(zhuǎn)換為相同頻率的機(jī)械能，超聲波換能器的材質(zhì)一般是壓電陶瓷。1.3.2.3.超聲波紀(jì)事通過調(diào)整振幅桿的質(zhì)量比來加大或者降低振幅，調(diào)節(jié)振幅的大小。1.3.2.4超聲波焊接頭在一定焊接壓力的作用下焊頭把超聲波振動傳遞到要焊接的塑料件上，焊頭要和焊接件相匹配。1.3.2.5-底層模型在焊接時要對焊接件進(jìn)行固定和支撐，用于固定和支撐的夾具就叫做底模。1.4工藝特點的焊縫，理超聲波塑料焊接具有獨(dú)特的工藝，其優(yōu)點如下。1）快速精確：絕大部分超聲波塑料焊接可以在0.1s～0.5s完成。2）品質(zhì)穩(wěn)定：采用機(jī)械化生產(chǎn)，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。3）經(jīng)濟(jì)實惠：不需要用大量夾具、膠合劑，減少人工，降低成本。4）美觀清潔：表面成形好，不損傷不變形，無劃傷及膠合劑殘痕。5）工序簡潔：不需要預(yù)熱，不需要清潔等前后道工序。6）操作便捷：只要設(shè)置好焊接參數(shù)，操作十分便利。7）強(qiáng)度高、氣密性好：焊縫成分與母材一樣，強(qiáng)度高，氣密性好，不漏水，不透氣。8）可實現(xiàn)自動化焊接：15K超聲波塑料焊接機(jī)非常易于實現(xiàn)自動化。2超聲波塑料焊接工藝2.1焊接條件的確定超聲波塑料焊接工藝的技術(shù)參數(shù)主要包括頻率、振幅、焊接時間、焊接壓力、保壓壓力和保壓時間等。實際焊接作業(yè)要結(jié)合焊接件自身特性、焊接設(shè)備條件和焊接參數(shù)組合等因素來綜合確定最佳的焊接條件。下面對各個焊接工藝參數(shù)分別說明。2.1.1khz頻率超聲波常用的頻率有15kHz、20kHz、30kHz、35kHz和40kHz。其中使用20kHz的頻率一般會比較容易實現(xiàn)我們所需要的振幅和功率。使用高頻焊接具有聲音小、可焊接小尺寸工件、焊接壓力小和提升加工效率等優(yōu)勢。采用低頻焊接可以大幅降低塑料中超聲波的衰減，使焊接的距離更加長遠(yuǎn)。2.1.2超聲波塑料焊接的基礎(chǔ)振幅是指焊頭的端面在焊接時在長度方向上從一個最低端到一個最高端之間的距離。在超聲波塑料焊接的工藝參數(shù)中，振幅是至關(guān)重要的一項，選擇恰當(dāng)?shù)恼穹?，超聲波塑料焊接的效果可以得到明顯的提高。較小的振幅會導(dǎo)致塑料變形不足，阻尼震蕩不足，造成材料不能完全熔合，并且可能還會產(chǎn)生熔體碎屑，也會造成焊接的速度過慢。而振幅較高時則會導(dǎo)致材料的焊接溫度較高。所以說振幅這個工藝參數(shù)對焊接的影響程度是最大的，在焊接區(qū)域產(chǎn)生的熱量和振幅的平方存在關(guān)系，即使振幅稍微波動一點，其造成的影響都會很大。2.1.3焊接時間的確定焊接時間指的是施加振動的時間，要想達(dá)到良好的焊接效果，必須選擇合適的焊接時間。在焊接過程中熱量和時間是呈正比關(guān)系，焊接時間越長所產(chǎn)生的熱量就越大。通過不斷反復(fù)的試驗來確定合適的焊接時間，在實際作業(yè)過程中焊接時間要考慮適當(dāng)延長，使焊縫的強(qiáng)度效果達(dá)到最好。不過如果焊接時間增加過長的話也會提高產(chǎn)生焊縫飛邊和零件壓痕的可能性。過量的飛邊會影響產(chǎn)品的外觀，還要人工進(jìn)行去除飛邊，降低生產(chǎn)效率。2.1.4加一定壓力的時間和壓力在超聲波停止之后，為了讓工件能夠很好地焊接在一起，需要在一定時間范圍內(nèi)持續(xù)施加一定的壓力，這里所需的時間和壓力就是保壓時間和保壓壓力。保壓時間和保壓壓力對焊接強(qiáng)度起正面的作用，一般在合適的保壓壓力前提之下，保壓的時間越長焊接的質(zhì)量就越穩(wěn)定，跟其他工藝參數(shù)相比，保壓時間和保壓壓力對焊接接頭強(qiáng)度的影響比較小。2.1.5熔接的密度合適的焊接壓力是達(dá)到好的焊接效果必不可少的條件之一。如果焊接壓力太小，不僅會導(dǎo)致產(chǎn)品表面磨損、焊接的噪聲增大，還會導(dǎo)致焊接的熔體不足，熔接的強(qiáng)度不夠。通過適當(dāng)?shù)卦黾雍附訅毫涂梢源蠓靥岣吆附舆B接力，同時可以使焊接表面的磨損減少。如果焊接壓力太大，就會造成焊接件之間相互移動，導(dǎo)致焊接熔體過多從而在產(chǎn)品表面溢出，而且還有可能出現(xiàn)焊接壓力沒有作用在焊接結(jié)合點位置的情況。2.2相對深度、混合模式不同的超聲波焊接機(jī)有不同的模式，例如有時間模式、相對深度模式、混合模式等。焊接模式的不同對焊接作業(yè)的過程和效果都有極大的影響，所以根據(jù)不同類型的焊接制品來選擇相應(yīng)適合的超聲波焊接模式至關(guān)重要。2.3影響焊接質(zhì)量的因素通過上述各項分析可知，超聲波塑料焊接中的各個焊接工藝參數(shù)是相互影響和制約的。不管是改變振幅、焊接的壓力、時間和模式都會對焊接的質(zhì)量有直接的影響。而焊接件本身的含水率和采用的脫模劑等塑料的物理特性也會影響到焊接的性能。另外塑料焊接導(dǎo)能筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工件本身的可焊性的好壞會直接影響到焊接質(zhì)量。所以確定最好的工藝參數(shù)組合，要綜合考慮全部因素對焊接質(zhì)量的影響，而不是單獨(dú)分析其中一兩個因素對焊接質(zhì)量的影響就可以了，先通過全面認(rèn)真地分析之后，再進(jìn)行針對性地調(diào)節(jié)和優(yōu)化3超聲波焊接與塑料焊接的應(yīng)用3.1應(yīng)用項目介紹3.1.1電源的安全性電源是所有電器中都必須具備的重要部分，而且電源也是電器系統(tǒng)的承載最大的環(huán)節(jié)。因此電源本身的安全性要求嚴(yán)格，特別是對防水要求更高。針對電源板項目防水要求進(jìn)行分析并確認(rèn)，對滿足要求的通用性的設(shè)計方案進(jìn)行驗證。3.1.2由于電源板的防水結(jié)構(gòu)和防水要求的組成3.1.2.1.防水結(jié)構(gòu)組成防水結(jié)構(gòu)主要由上殼、底殼和焊接筋條3部分組成，通過焊接筋條把上殼和底殼焊接在一起后實現(xiàn)對電源板的防水保護(hù)。具體如圖3所示。3.1.2.2.防水要求水深：60cm；放置時間：1h；判定基準(zhǔn)：無任何水滲進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部。3.2在上、下殼間進(jìn)行密封上殼與底殼為塑膠件，因產(chǎn)品空間問題無法在上、下殼之間增加橡膠密封圈進(jìn)行密封。經(jīng)過分析確定使用超聲波塑料焊接工藝，對上、下殼進(jìn)行熔爐密封。3.3超聲波塑料焊接應(yīng)用方案3.3.1上殼體和下殼體的超聲波塑料焊接設(shè)計超聲波焊接工藝為將2種或2種以上的（同種或異種）材料通過原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散形成永久性連接的工藝過程。3.3.2塑料樹脂結(jié)構(gòu)在二次加工加工中的應(yīng)用超聲波塑料焊接對材料存在要求，需要是熱塑性塑料的材料。這種材料在成型后通過加熱升溫作用后會軟化，可進(jìn)行重新加工，而且它的化學(xué)組織保持不變。熱塑性塑料的樹脂結(jié)構(gòu)在二次加工前后都呈線性結(jié)構(gòu)，在焊接加工過程中化學(xué)組織不會發(fā)生改變，同時具有可熔和可溶的特性。因此根據(jù)材料特性選擇了LG化學(xué)PC+ABS5001RFG+20%PCA9260-71材料。3.3.3熔接的表面要求針對該產(chǎn)品的功能需求，對焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要考慮以下幾點：1）必須為一個小的接觸面，方便超聲波能量集中傳輸，以達(dá)到不傷及表面且能快速焊接的效果。2）固定部分的被熔物，須有足夠的支撐面，以便通過另一部分的自由振動使音波傳導(dǎo)摩擦生熱，達(dá)到熔接的效果。3）要預(yù)留足夠的空間，讓熔爐的材料流滯以防熔料外溢，而破壞產(chǎn)品美觀。根據(jù)上述焊接設(shè)計要素對上、下殼超聲波塑料焊接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了如圖4所示的設(shè)計。其中A=塑件厚度；B=導(dǎo)能點高度；C=上殼接面配合尺寸；D=底殼（固定）接面配合尺寸；E=美工預(yù)留間隙。3.4設(shè)備設(shè)備及裝復(fù)超聲波塑料焊接工藝需要使用超聲波塑料焊接設(shè)備及焊接工裝。焊接設(shè)備存在工藝參數(shù)要求，該公司經(jīng)過設(shè)計評估及實際操作最終確認(rèn)工藝參數(shù)如下表3。3.5氣密性測試合格的確定客戶要求對每臺電源板進(jìn)行監(jiān)控，但是如果按照實際測試，測試品無法繼續(xù)使用，需要報廢。因此確認(rèn)使用氣密性設(shè)備前要進(jìn)行測試，氣密封設(shè)備檢測參數(shù)如下表4，增加測試穩(wěn)定性及降低報廢率。根據(jù)實際測試結(jié)果，氣密性測試合格即防水測試合格。防水設(shè)計達(dá)到要求。因此這種超聲波塑料焊接應(yīng)用的方案可以作為通用型防水設(shè)計，可以使用在相