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塑料超聲波焊接工藝研究進展

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發表時間:2017-04-08 23:42網址:http://www.thisweekendsmovies.com/h-nd-270.html

文摘:從焊接設備、焊接材料、工藝參數等方面綜述了塑料超聲波焊接質量的進展。選擇高頻焊接設備、使用低熔點、高表面摩擦系數的材料,選擇適宜的焊接時間和壓力,有利于提高焊接質量,并指出了塑料超聲波焊接質量的控制方法和檢測手段的發展方向。

關鍵詞:超聲波焊接,焊接質量,塑料焊接

1前言

塑料超接技是借助超波使塑料件接面的分子快速融合在一起的加熱連接方法。利用生器2040KHz的高頻電能,能通過換能器率的向機械振,這種過調幅器和焊頭傳遞給放置在基座上的試樣,在機械振引起的動態機械力作用下使區試樣表面度升高熔化,出形成一定厚度的熔化,接后在一定時間內保持力,直到熔化冷卻凝固成可靠的接[1]。

塑料超接技時間短、表面無壞、域不發熱點, 目前已廣泛地用于航空航天、表、食品包裝等域。迄今止,各究者對它進行了大量的究工作,主要集中在接工藝參數[23]、[4]設備[5]等方面,本文從焊設備、接材料、工藝參數方面述了量的展情,量控制方法和檢測手段的展情。

2設備

塑料超接工展起的。最早是由美國瓊斯等人在1950年提出。1960年代后,、日本、瑞士、英、德和前蘇聯開始在實際產過程中使用這種。美Brason、能器材公司、日本的海上機株式社、松下電氣、德KLN公司以及俄斯、瑞典都制生了塑料超設備,設備率一般在2040kHz,功率一般在幾百瓦到幾十千瓦之[6]。現階設備究主要集中在提高接功率和率以及采用新型振模式等方面,出40KHz以上的超波振[7~8],以及[9][9]、[10]、以及向-[11]模式的設備,用此設備來焊聲發射特性差的材料。此外,田修波等[12]塑料超波的氣動統進究,力可的塑料超接機,能得到更好的量。

3接材料

接原上可以接所有的塑性塑料。按照接技特性的功能可以把高分子材料分[13~14]

(1)柔性材料,指軟質、低性模量材料;  

2性材料,指高性模量和低機械振阻尼因子材料,例如聚PS)、聚甲基丙酸甲PMMA)、聚酰胺PA);  

3)所有的高分子薄膜、高分子合成纖維、由薄膜和纖維組成的布。

3.1接材料物性參數

一般來說,塑料超波可性取于公式

塑料超聲波可焊性公式


K-件形因子;   E-性模量;   μ-摩擦系;   λ-熱導率

ρ-密度;   C-容;   t-熔點。

超聲波焊接工藝圖

溫度與塑料厚度關系圖

公式(1)可知,與彈性模量、摩擦系、熱導率成正比,其密度、比容、熔點成反比。其中量主要材料的熔點和表面摩擦系[15]。參數因材料和度的不同而不同,它們程中的響焊域的度、力和形,而影響焊量。但是超時間很短,很過試驗控制參數化,國內者利用數值方法決這問題。例如[16]利用有限元方法分析超程中聚PVC)的物理參數的影,得到了度沿試樣厚度的律(1)。此外,塑料的分子量與焊接接強度有一定比例系。分子量高,熔融分子動擴散需要的超波能量就大,力、振幅和時間就要增加,容易造成接接強度降低[17]。

3.2接材料改性

塑料的改性對焊量也有影,其中究最多的是聚醚醚酮PEEK)和聚丙PP)基合材料。趨勢來看,在同一工藝參數料的加入都會給焊帶來負面影。例如Sancaktar[18]在相同工藝參數改性聚丙烯進行了超接,對焊接接強度的影各不相同,接強度和裂伸著每種填料含量的增加而下降;   Liu[19]玻璃纖維增強聚丙烯進行了超究,發現焊接接強度纖維含量的增加而降低。

但在不同工藝參數下,改性材料得到的于未改性材料。   Liu[20]不同含量玻璃纖維(15%35%)增強的尼龍復合材料的超接工藝參數進行了究,發現纖維含量增加后,只要延長焊時間,接接強度就增加。因此,纖維料加入能提高材料的硬度,有利于超波的傳遞,只要在合適的工藝條件下料的增加可以提高接接強度。

3.3材料搭接

材料搭接度的增加使接接強度降低。為隨著搭接度增加,接接頭邊緣應力集中增加,邊緣的微裂多,接強度降低。   Matsuoka[21]接用合法(Paper-making)和浸法(impregnation)制的玻璃纖維改性PP,接接強度都度增加而降低。

3.4材料表面粗糙度

增加材料表面粗糙程度可以降低阻抗,提高表面能流密度,而提高其量。侯旭光等[22]PP包裝袋的

程中發現,采用表面有制花的膜材料能得到更高的量,比表面光滑的PP膜的接接強度提高接近一倍。

3.5接面到焊頭距離

材料接面到焊頭的距離到半波長值時焊接接強度最大。波在塑料中傳遞主要是向波,最大向波峰

往往出在半波,距離接近半波長時傳遞給焊接界面能量最多,能得到良好的接接。針對不同厚度的HS1000(芳基磷酸和粘土改性的聚苯醚,半波長為96.5px行超接,發現存在界厚度38.6mm,小于界厚度時焊接接強度和伸厚度的增加而增加,大于界厚度時焊接接強度迅速降低[23]。

塑料超聲波焊接工藝

4藝參數

塑料超接包括振幅、時間、力等多工藝參數,些工藝參數以及參數的共同作用都

量有影。


4.1超聲波接振幅

振幅是塑料在超首要選擇的工藝參數。材料在特定的超率下都有適宜的振幅范,1了幾常用的塑料在20KHz下所需的振幅范。超聲波振幅,超聲波焊接振幅

1塑性塑料所需的振幅范[16]

在適宜的振幅范圍內,振幅增加有利于超波能量的散,而提高接接強度。例如Sancaktar[18]40μm53μm振幅范圍內發現PP接強度振幅的增加而呈上升趨勢;   Liu[19]25μm40μm振幅范圍研PP和玻璃纖維增強聚丙烯復合材料,發現焊接強度振幅增加而增加。

但是振幅對焊量的影響并不完全滿足上述律。   Benatar[2425]1μm60μm振幅范圍內研究塑料超接,發現非晶材料PS、   ABS接接強度受振幅化的影不大;半晶材料PE、   PP振幅25μm接接強度振幅增大而增加,小于25μm恰好相反,而且發現振幅15μm塑料的接接強度大,得注意。[26]熔融厚度角度一步述了振幅與焊量的系,試驗表明熔融厚度振幅增大而略微小,PS接接的剪切強度增加,曲強度降低。

此外,塑料接所需的振幅接形式種類設備頻率的影。嵌接所需振幅大,而平面所需振小。   90kHz的超波塑料設備的振幅是27kHz設備振幅的三分之一,   90kHz的超波能使接面度更快地升高到高的[27]

4.2

在其他因素確定的情下,取得較優焊接接強度的力存在一定范。例如Matsuoka[22]玻璃纖維增強的聚丙烯復合材料搭剪試樣進行了試驗研究, 力小于0.15MPa強度隨壓力增大而增加,超0.15MPa后接強度到一較穩定的狀態,約為35MPa,當焊力超0.4MPa,聚丙烯會從基體中出,接接強度降低。

對焊量的影較復雜。周生玉等[28]PP發現,對焊接熔融的厚度和取向程度有

大影,力增加,熔融厚度小,接接的取向程度增加,宏現為焊力增加,接沿取向方向的剪切強度增加,垂直于取向方向的曲強度降低。   Harras[29]碳纖維增強聚醚醚酮復合材料板,發現斷與焊中的據點很分散,過紅外光電鏡對斷面分析,發現分子取向對焊量的影不明。材料分子取向對焊量的影響還一步的究。


4.3時間

實驗證明,要想得到良好的接接,須選擇時間,過長短的時間造成接接強度的下降。

Benatar[2425]發現在近程PP、高密度聚乙烯時,接接強度時間的增加而增加,當焊時間一定1.5s)后,接接強度始下降。ABS、   PS接中出現類似情,折點在2.4s附近。超PVC 板材[16]、   PP包裝袋[21]的正交試驗發現焊時間現轉折點,見圖4。不同焊接時間與焊接頭質量關系圖

超聲波焊接工藝

不同焊接時間與焊接頭質量關系圖

時間不受材料的厚度影,薄膜的超接同存在較優時間。德光[30]對雙向拉伸聚/低密度

聚乙烯復合膜行了超究,果表明時間對焊接接頭質量的影響規上述一致,在0.25s時焊縫熱強度和冷強度均。

4.4壓時間和保壓壓

波停止后,了使試樣相互緊貼固化,而使工件能很好地接在一起,需要在一定時間內保持一定的力,所需的時間力就是保壓時間和保壓壓力。[31]壓時間和保壓壓對焊接接強度的影是正面的,但相于其藝參數,壓時間和保壓壓對焊接接強度的影很小。

4.5超聲波焊頭下降速度

焊頭下降速度越快,到的接接強度越高。在超程中,高的下降速度能得到高的接觸壓力,有利于

接界面密地接和分子充分地散。文[23]表明使用25mm/s、   50mm/s、   100mm/s種焊頭下降速度來焊HS1000,下降速度增加到100mm/s的平均接接強度更高,28.38MPa。




5量控制和檢測

塑料超接的時間短、表面無損傷,對焊量控制和價比。目前量控制模式包括時間控制模式、

行程控制模式、振幅控制模式和能量控制模式等。時間控制模式是傳統接控制模式,通過達到超聲時間就停止接的方式控制量,這種方法結構簡單,易實現;行程控制模式是允出及時間下,通控制程中的熔塌距離控制材料的熔化量,證焊[32];振幅控制模式是利用超生器的電參來調節的振幅出,來達到控制量的目的[33];能量控制模式以試樣所需能量作為焊程控制的關鍵參數,胡振海等開發了一套以入到件的實際能量為關鍵參數的控制系,使用此系統對PMMA、   PS等塑料行超接,果表明系統運定,量可靠[34]。

目前往往的外觀質量和接的力性能方面行超波塑料價,常用方法有超檢測法、   X線檢

法、視覺檢測和批量破壞試驗等,測試方法都針對焊接后的試樣進行,因此取得最佳的量需要行多次試驗。近年來實時跟蹤檢測焊量的方法成為研點,   Benetar[35]發現在超程中材料界面的阻抗熔融高分子流有密切系,以此依據可以在線監量。董震等[36]過對程中聲學統輸入端的電參數進行在線檢測,超有效地反映程的,為實現焊量控制提供了借手段。   Ling[37]利用壓電陶瓷的號來監控超接接頭質量,能很好反映在程中塑性塑料的-機械行,對焊量的檢測。   Chuah[38]、梁延德[39]、士勤[40]在靠近接界面的熔化中心埋入熱電偶,發現焊接界面的隨焊時間變律是一致的,度先迅速上升短時間慢下降,很好的反映在不同工藝參數度的化情,為焊量的控制提供考依據。


6

塑料超接機復雜,量受多因素影。材料,首先要考慮焊設備選擇,高頻焊設備能得到較優量,其次考材料的其可性,低熔點、高表面摩擦系的材料可得到較優焊量,加入適量的增強材料能提高量;第三,超波的振幅、時間、力是影響焊量的主要工藝參數,得到量的三藝參數都存在一定的范。

著超接技在塑料域中越越多的用,受到塑料加工成型的工作者的重。但由于塑料超時間短,接機理復雜,以控制,限制了超接工在塑料域中的一步使用。

需要以下幾方面一步加強超接技   

1究新型的設備,制具有高率和高功率的設備;   

2)深入究不同材料域的狀態,包括熔融厚度、晶度、取向程度、化學組分等,深入究塑料超接技的機理;

3針對不同材料接工化,建立設備、工藝參數、常用材料的對應關律,實驗,降低成本; 4一步完善塑料超量的檢測手段,尤其是展完善實時跟蹤監測方法。


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