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超聲波焊接工藝參數流程

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超聲波焊接工藝參數流程

  超聲波焊接的工藝參數設定包括超聲波焊接功率、超聲波頻率、超聲波振幅、超聲波焊接壓力、超聲波焊接時間等。

l.   超聲波的頻率

  超聲波焊接的工作頻率通常在15-40kHz,對低頻反應較差的材料,如PvC、PE等可以使用高頻進行焊接,這可以減少對材料的損壞。高頻的超聲波能量傳遞集中,對于一些精細的零部件可以使用高頻的超聲波進行焊接。超聲波焊接時,由于負載的變化會造成超聲波設備的失諧現象,使焊接強度下強。一般情況下,焊接機的工作頻率確定后,需要保持聲學系保持諧振。

下面的方程可以描述超聲波的功率:

   P=μSnv=-2Aω/π=4usaf

式中P超聲功率;F靜壓力;S焊點面積;v相對速度;A振幅;μ一摩擦因數;w為角頻率;f為振動頻率。

2.超聲波振幅

  在較大的工作頻率和振幅下進行焊接,可以減少焊接時問,提高工作效率。對于不同的材料都存在一個最佳的焊接振幅如表l所示。超聲波焊接20μm的振幅較小,通常建議使用40μm的振幅,因為過大的振幅常會使超聲波電源疲勞損壞,所以超聲波的振幅要求與超聲波電源匹配一致。

不同塑料的超聲波焊接振幅

3. 超聲波焊接時間

  焊接時間指焊接過程中發出超聲波能量的時間。焊接時間過短,能量不夠,并不能造成可靠的焊接結。隨著焊接時間的增加,能使焊件吸收更多的能量,焊接面的溫度會提高,焊合面積也會增大,焊接熔深增加,這樣焊接強度也會增加[22-24]。然而,過長的焊接時間,會導致焊接位置材料熔化過多并造成較多的溢料。這些熔料在焊合區域流動是有方向性的,所以過多的熔料流動會造成強度的下降。另外,過長的焊接時間會造成焊件溫度過高,造成焊件燒化和降解,使焊件表面造成焊痕,造成過焊,使強度下降。焊接時間過長,能量過多會造成熔化層溫度過高,被焊塑料變色、分解、脆化;而且焊接邊緣應力集中,焊接表面出現壓痕。所以為了得到較高的焊接強度,必須要選擇合適的超聲波焊接時間,過短和過長都會造成焊接強度的下降。

4. 超聲波焊接壓力

  超聲波焊接壓力是指焊接過程中,焊頭施加到焊件上的靜壓力,通過靜壓力的施加向焊件傳遞超聲波能量。在超聲波焊接中,當焊接時間一定時,壓力關系著焊接面形成適合的接觸,對強度一個十分關鍵的因素。在一定壓力范圍內,隨著壓力的增加,焊接的強度會提高。焊接壓力較低時,焊件接觸不好,摩擦能不能有效的產生,超聲波的能量利用率低。較低的壓力會導致焊接部位熔料較少,無法形成有效焊接。但焊接壓力過大時,會造成熔料流動過快,熔料從焊接部隊流出,減少焊頭形成所需的熔料凝固偏少,降低焊接強度。過大的歷力會造成摩擦力過大,造成焊件之間的相對摩擦運動減弱,給焊接機造成過大的負載,焊接困難。焊接壓力在尼龍66的超聲波焊接過程中,對焊接強度的影響很大。稍低的焊接壓力能使焊接產生較厚的熱影響區,這會使更多的分子鏈、晶粒、纖維走向垂直于焊接界面,提高焊接強度,這些焊接接頭在0.66MPa的焊接壓力下,焊接強度能達到尼龍66的70%。焊接壓力需要與焊接時間相配合,這樣才能獲得較佳的焊接度。Matsuoka[27]研究發現對于玻纖維增強熱塑性塑料,保持焊接振幅一定時,增加焊接壓力可以減少焊接時間。

5. 搭接長度和固定位置

  超聲波焊接時的搭接長度和夾持固定位置也會影響焊接強度的大小。隨著單搭試驗搭接長度的提高會降低焊接的強度。當搭接長度增加,會造成焊接部位的應力集中使強度下降。因此為了獲得最佳的焊接強度,需要設計較短的搭接長度,并且要根據接頭的類型選擇恰當的接接長度。在一般情況下,搭接長度往往是固定不變的,為了滿足強度需要,搭接較短,焊接面積小,強度不夠;搭接較長,又會造成材料的浪費,設計好搭接長度,改變焊接參數來獲得最佳的焊接強度。Qiu等發現焊件被固定的砧座上,夾持點與焊接部位的距離會影響焊接強度。較短的距離有利于增強摩擦產生熱量,就更能提高焊接的強度。在實際生產中,焊接件造形多樣,固定的夾持位置并不合適,一般要求在焊接過程焊件夾持穩定即可。

6.超聲波熔接深度

  在焊接過程中,隨著焊接位置材料的熔化,焊頭位置會持續下降,焊接結束熔化的材料會相互擴散凝固,最后凝固材料的厚度稱為熔深,在一般情況下,可以控制焊接過程中焊頭的下降位移控制熔深的大小。焊接的強度與焊合部位的微觀結構有很大關系,也就與焊接過程中熔層的厚度、焊合部位的溫度關系密切。增加焊接壓力或焊接時間都會使焊接過程中材料熔化增加并且流動,從而增加熔深[29]。適當的熔深可以使焊接強度增加,但是當熔深過大時,往往需要更多的焊接時間,這將造成的是材料的過焊,使強度下降。不論如何改變焊接壓力,時間,都需要證一個合適的熔深,這樣才能保證焊接達到較高的強度。

7. 超聲波導能筋的影響

  在焊接件上設計導能筋,可以集種焊接能量,減小焊接時問,減少焊接部位的應力集中,提高焊接的強度。常見的導能筋,有三角形,矩形和半圓形等形式。在超聲波焊接中常使用對接和搭接的方式進行焊接,導能筋的設計也不相同。因為導能筋往往集中了焊接時的壓力,受到更多的振動應力,在焊接的過程中,能量集中傳遞并集中至導能筋,在壓力作用下導能筋會首先升溫熔化并向兩側流動展開[3o]。Liu等預測具有半圓形導能筋的焊接件在使用適合的焊接參數下進行焊接可以最有最高的焊接強度[31]。Devine[32]建議90°頂角的三角形導能筋適用于大部分的非晶態塑料,而60°頂角的三角形導能適用于半晶型塑料,而且對于半晶型塑料來說,導能筋熔化的材料可能在它流向周圍的過程中就凝固,這可能會導致材料未焊透,所以導能筋對于搭接焊接并不必要。另外導能筋的加入,增加了焊接制作的難度,增加成本。

     超聲波焊接工藝參數設定方法需要嚴格遵循上述理論,不可隨意調節,只有明白了其中的原理,使用超聲波焊接設備,才能變得游刃有余。


超聲波焊接工藝參數
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