塑料超聲波焊接技術

2022-02-22 14:13

近年來，熱塑性塑料以其優良的機械性能、光學性能、加工性能等，在機械制造、航空航天及人工智能等行業得到了廣泛的應用。其因易加工、易成型等特性，在機械外觀件中的應用越來越廣泛，如工業用插頭、插座等儀器殼體多為熱塑性塑料制品。外觀件，特別是室外應用的外觀件，一般對防水防塵性能有一定要求，使得塑料組合件間的固接方式至關重要，而傳統機械連接、膠接等固接方式難以滿足塑料組合件固接高效率、高可靠的要求。塑料超聲波焊接技術是借助超聲波使塑料件接觸面的分子快速融合在一起的加熱連接方法，是一種快捷、干凈、有效的裝配工藝，是取代傳統固接方式的先進裝配技術。超聲波焊接不但有連接裝配的功能，而且具有防潮、防水的密封效果。

塑料超聲波焊接技術簡介

超聲波焊接是指利用超聲波設備將低頻電能轉化成20～40kHz的高頻電能，電能通過換能器轉化成用于超聲波的機械振動能，再通過調壓裝置將機械能傳遞至超聲波焊接機的焊頭，常見超聲波焊接機結構如圖1所示。振動能量從焊頭傳遞到塑料工件，工件之間的摩擦產生大量的熱量將工件熔接面熔化，從而焊接成一體。其接合點強度接近一整塊連著的材料，密封性能良好。近年來，隨著塑料及復合材料的大量應用，塑料超聲波焊接以其焊接速度快、焊縫質量好、易于自動化、適合大批量生產等特點得以廣泛應用。但在使用超聲波焊接機進行塑料焊接作業時，即使各方面準備充足，熔接效果不一致、熔接不足、熔接過度等熔接不良的現象依然經常出現。

塑料超聲波焊接的影響參數研究

塑料材料對超聲波焊接的影響
超聲波焊接并不能焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性。塑料可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料分子呈線型或支鏈型結構，經過加熱軟化熔融即可制成一定形狀的塑件，且冷卻后能夠保持定型形狀。這一過程可反復進行，具有可逆性。常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龍）以及丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）三元共聚物（ABS）等。而熱固性塑料在加熱時會發生交聯反應，分子主鏈間以化學鍵結合，最終成為既不熔化也不熔解的物質。由兩者的特性可知，超聲波焊接只適合于熱塑性塑料之間的焊接，并不適合熱固性塑料。此外，塑膠原料中的填充劑（碳酸鈣、玻璃纖維、氫氧化鋁等）和添加劑（阻燃劑、增塑劑、潤滑劑等）都對超聲波焊接存在很大的影響。

超聲波焊接機工藝參數對焊接質量的影響
對于超聲波焊接機，熔接能量（WeldingEnergy）為功率與時間的乘積，焊接功率為壓力、下降速度、頻率以及振幅的乘積。由超聲波的工作原理可知，超聲波的實際功率并不大，工作時間短，產生的熱量有限，所以一般只適用于熔點較低（400℃以下）的材料。根據所選塑料的特性不同，可以對超聲波焊接機的工藝參數進行有效調整，從而達到理想的焊接效果。

超聲波焊接面對焊接質量的影響
超聲波焊接時，超聲能量是瞬間爆發的，作業時不需要焊接件整體振動發熱。兩個焊接件面接觸摩擦雖然可以由快速摩擦產生熱能，但是接觸面積越大，能量分散越嚴重，最終無法達到破壞端面材料分子結構而熔合，所以只需要選擇性地在焊接的部位發熱。超聲波焊接時，超聲波在塑料中傳達到設有導能角的結合面，在此處發熱而焊接。因此，超聲波焊接機焊接面結構的設計，影響焊接的難易程度、焊接處外觀、焊接強度及焊接后防水防潮性能等。

塑料超聲波焊接技術具有眾多優勢，在我國被廣泛應用于各行各業，且日漸成熟。但是，焊接過程中需要控制的參數較多，如焊接機的工藝參數的設置、焊接件材料的選擇、結構的設計等都對焊接效果有重要影響，并且這些影響都不是線性的。在日常生產中，需要通過嚴謹的試驗分析測得各種參數的焊接效果，從而得出最優解，同時提高材料的適應性，探索各類工藝參數對焊接質量影響，將超聲波焊接運用在更廣泛的領域。

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