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PPS塑料的超聲波焊接工藝

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發表時間:2019-10-13 14:59

  PPS塑料能夠超聲波焊接嗎?文章對PPS塑料超聲焊接的常見問題,如超聲焊筋設計、焊接條件和焊接強度,進行詳細描述。超聲波技術不僅用于組件焊接,也同樣適合超聲波鉚接和超聲波鑲嵌工藝。

  我公司在PPS塑料制品超聲波焊接工藝方面有著非常豐富的經驗,我們廣泛做過PPS塑料葉輪、汽車電器連接器等部件;掃面網站左側二維碼,免費提供PPS塑料超聲波焊接工藝參數咨詢。

   PPS(聚苯硫醚)是一種半結晶熱塑性塑料,具有陡峭的熔融曲線和較高的熔化溫度(285°C,545°F),其純料PPS不適合超聲波焊接。但在添加玻璃纖維和其它填料后,因PPS混合物剛度大大增加,有助于超聲波振動傳遞,所以可用超聲波焊接。在焊接筋設計合理的條件下,玻纖含量40% PPS可以很容易焊接。然而繼續增加玻纖含量和礦物粉時,因為混合物中樹脂成分含量變低了,導致超聲焊接困難。


超聲波焊接筋設計

   PPS產品焊接筋設計對焊接強度至關重要。需要從組件裝配上考慮零件及焊接筋的設計,以及這些設計對超聲波焊接工藝的影響。


  對于PPS材料焊接,一般采用剪切縫設計。對于采用三角導能筋或者臺階式焊筋設計,不同型號含有不同成分的PPS有不同的焊接結果。對于含填料份量高的PPS混合物,在熔化時沒有足夠的流動性,無法流入兩側形成更多粘接區域,因此該類PPS混合物不適合采用三角導能筋或者臺階式焊筋設計。


  對于剪切縫,在焊接過程中在連接界面上產生類似“涂抹”的動作,從而使得熔融塑料產生更大的流動性,更容易焊接。試驗證明,對于填料含量高的PPS,使用剪切縫的產品拉拔力是采用臺階式焊筋拉拔力的6倍。同時,剪切縫熔融和粘接區域更大,有助于密封。


典型的剪切縫和臺階式焊筋設計見下圖1和圖2。

PPS塑料超聲波焊接線設計


                                      PPS塑料超聲波焊接——剪切式超聲波焊接線設計

PPS塑料超聲波焊接線設計

PPS塑料超聲波焊接——臺階式超聲波焊接線設計


  對于最大尺寸大于89mm,或者形狀不規則的產品,由于注塑誤差難以控制會導致焊接結果不穩定。因此,對于尺寸較大或者形狀不規則的產品不推薦剪切縫設計,而是推薦三角導能筋/臺階式/溝槽縫設計。一般來說,剪切縫的焊接深度大約是壁厚的1.25倍。


  對于薄壁PPS塑料件的超聲焊接,采用20Khz頻率以上的焊接工藝更容易獲得成功。同時,具有瞬時功率小和防止部件損害的優點。當采用導能筋焊筋設計時,對于典型的半結晶材料,三角筋尖角采用60°,底邊寬度一般是20%-25%的壁厚,高度是底邊寬度的0.866倍。


  在設計選擇超聲波焊接工藝的產品時,必須考慮到盡量減少非必要的超聲波能量損失,記住這一點很重要。超聲波沿焊頭運動的方向傳播振動,能量大小與墻壁截面大小成正比。要振動的部分應該是裝配件中位置最上、重量最輕的零件,同時在焊筋上方應設計方便與焊頭接觸的較大平面。有時,還需要設計特殊的結構將振動能量直接傳遞到焊縫處,例如在蓋子邊緣增加凸起的唇邊結構。適當的零件組裝間隙也是必要的,以避免干涉導致焊筋虛焊。振動路徑上的零件應增加倒圓角結構,圓角大小是墻壁壁厚的0.6倍,以避免超聲波焊接時零件開裂。對稱設計的零件更容易焊接,因為其壓力和能量分布均勻。


總而言之,以下是要避免的錯誤焊縫設計:

  裝配組件間隙設計太小,存在緊或者干涉配合,阻礙超聲波振動有效傳遞到焊筋處;傳遞超聲振動的零件截面過小/薄,導致在大振幅下產生破裂;焊筋尺寸過大,導致瞬時功率輸出過大,可能損傷零件;直接與焊頭接觸的零件,不是組件中位置最上、重量最輕的零件;內部尖角可能導致零件開裂;內部金屬插件會吸收超聲振動,降低焊接效率,因此應在超聲焊接后組裝金屬件。焊接工藝建議

  最佳超聲波焊接工藝很大程度上取決于零件質量和組件裝配精度,以及所使用的焊接設備和治具。在產品設計階段,征求制造商的意見是很重要。焊接參數的調整應考慮零件材料成分、尺寸誤差和剛度,以及焊頭接觸產品位置與焊縫之間的距離。產品的可焊接性能,是指材料在不受損傷情況下傳遞超聲波振動的能力。

  由于PPS是一種高熔點的半結晶熱塑性塑料,通常需要大振幅的超聲波振動來熔化塑料形成焊縫??紤]PPS的高模量(高剛度)特性,因此輸出的振幅能夠在塑料件中傳遞相當長的距離。當焊頭與焊縫之間距離越大,需要的振幅也就越大。在近場焊接(焊頭接觸面與焊縫之間距離小于6mm)時,采用高頻率和較低振幅的焊接工藝,能夠實現更高的焊接效率。在遠場焊接(焊頭接觸面與焊縫之間距離大于6mm)時,振幅傳遞距離受限于產品結構,當墻壁越薄,超聲振動傳遞距離越短。

  焊接所需的功率取決于焊接區域面積的大小,零件的幾何形狀和材料的吸收特性。PPS焊接時通常需要高功率輸出,以保證大部分能量非??焖俚膫鬟f到焊縫處,同時避免對零件造成振動損傷。焊頭的速度要與PPS塑料熔化和焊縫成形速度相匹配。

當產品采用剪切縫設計時,初始參數可設定為高功率輸出、大變比調幅器、低焊接壓力,和較慢的焊接速度。然后,再根據實際焊接結果進行下一步調整。焊接時注意,大振幅和長時間振動會損傷零件表面。最大的焊接強度是在保壓階段形成。若氣密性不佳,可增大動態保壓距離或者保壓時間來進行改善。

  采用剪切縫設計時,需要注意的是產品墻壁的側面支撐,以避免焊接中零件側壁張開導致焊接強度不良問題。治具可由鋁、鋼、樹脂或其它材料制成。治具與產品的配合間隙要適當,以提供適當的支撐,并方便零件的取放。

影響PPS塑料焊接強度的原因

  焊縫的強度通常比本體材料低得多。因為焊縫上幾乎沒有什么玻璃纖維,所以焊縫強度主要取決于樹脂本身的強度。即變是在焊接純樹脂材料(不含玻璃纖維增強)時,焊縫強度通常也沒有本體材料大。對于某些特定的PPS材料,焊接強度可達50Mpa;對于大多數PPS材料,焊接強度不足35Mpa。此外,焊接強度隨著溫度升高而降低,如下圖(純料PPS抗拉強度隨溫度變化圖)所示。

PPS塑料焊接溫度與強度的關系

除此之外,還有許多其它因素會影響焊接強度:

  焊接區域面積。焊線越長,熔融塑料越多,焊接強度越大。但實際上,受注塑精度和治具等因素影響,焊接區域面積會比設計預想的要小很多。

  注塑件尺寸精度和質量。注塑缺陷如空隙,會吸收超聲振動,影響能量傳遞??赡軙е铝慵砻鏍C傷和內部裂紋,以及較低的焊接強度。

潤滑劑或脫模劑的此類表面污染,會減少摩擦生熱從而阻礙焊接過程。同時,因雜質進入焊縫,會損害焊縫強度。

  焊接過程中,焊縫處PPS塑料迅速熔化和迅速冷卻,容易產生較多的非晶態(無定形)的狀態。當產品使用溫度超過85°C,PPS會逐步轉變成半結晶狀態,從而在產品內部產生額外的應力。


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