如何選擇塑料部件組裝工藝

王　塑　編　譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143）

如何選擇塑料部件組裝工藝

王塑編譯

（全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143）

如何選擇塑料部件的組裝工藝十分重要，要考慮到材料、形狀、尺寸、壁厚、效率、成本等諸多因素。塑料部件于通過(guò)機(jī)械、黏接或焊接方法進(jìn)行組合，焊接方法中又有振動(dòng)、超聲波、熱板、激光等多種方法。

組裝；塑料部件；超聲波；振動(dòng)焊接；旋轉(zhuǎn)焊接；非摩擦焊接

做出一項(xiàng)如何根據(jù)需要選擇最佳組裝工藝的決定是很重要的。這里提供幾個(gè)選擇，從機(jī)械緊固件和黏合劑到摩擦和熱處理方法，都有各自不同的優(yōu)勢(shì)。此外，人們交談的每個(gè)供應(yīng)廠商提供的解決方案聽起來(lái)似乎都是最好的。

要做出合適的選擇，每項(xiàng)應(yīng)用都必須考慮到。每項(xiàng)都有自身特定的特征和要求。即使你在過(guò)去取得了成功，比方說(shuō)黏合劑，目前超聲波焊接可能更適合你評(píng)估的應(yīng)用。這個(gè)過(guò)程從選擇合適的組裝工藝開始，你必須明確列出所有屬性和需求，其中包括：組成材料（包括內(nèi)部組件，如果有的話），零件的幾何形狀和終端用戶的需求。

你最好在工藝的選擇過(guò)程中以一個(gè)開放“工藝中立”的心態(tài)進(jìn)入決策過(guò)程。了解每個(gè)流程的優(yōu)點(diǎn)和局限性，與設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商緊密合作，為你的應(yīng)用提出一個(gè)解決方案。

用于塑料部件組裝的三個(gè)主要方法：

（1）機(jī)械方法，包括但不限于：扣合、旋轉(zhuǎn)、釘入、壓合。當(dāng)產(chǎn)品在其生命周期中需要拆卸的時(shí)候，這些方法通常是被選擇的最多的，例如帶有可拆卸電池包的產(chǎn)品等。這種方法也用于固定設(shè)備成本超過(guò)消耗成本的低容量應(yīng)用。

（2）膠黏劑最常用在使用不兼容材料的應(yīng)用中，在這種情況下，需要找到一個(gè)永久的組裝方案。其中一個(gè)例子是有彈性的PVC醫(yī)療管和硬質(zhì)塑料閥門。黏合劑有許多類型，可以用于各種各樣的用途。為了得到最優(yōu)結(jié)果，需要聯(lián)系一個(gè)膠黏劑制造商來(lái)確定適合你的應(yīng)用的合適產(chǎn)品。你需要考慮膠黏劑的成本，并且記住，這個(gè)過(guò)程通常需要某種形式的分散機(jī)，當(dāng)塑料制品需要在膠粘劑凝固的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行固定。

（3）摩擦和加熱的方法通常是在材料可兼容的情況下（見(jiàn)表1）使用的，并且需要一個(gè)永久的或防干擾的密封層。這些將在文中詳細(xì)介紹，不使用耗材；成本只發(fā)生在初始資本設(shè)備投資和運(yùn)行電力方面。本文將對(duì)其他部分工藝特點(diǎn)進(jìn)行論述。

1　摩擦工藝

超聲波組裝，是一個(gè)非常劃算和受歡迎的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)包括：焊接速度快（大多數(shù)焊接不到1 s），無(wú)耗材，最低限度的減小或沒(méi)有設(shè)置時(shí)間，低成本的固定設(shè)備，并且很容易集成到自動(dòng)化。

表1　多種材料與焊接方法的比較

它利用一系列組件——電源、變頻器、增壓機(jī)、喇叭狀存儲(chǔ)器（或疊式儲(chǔ)存器）和啟動(dòng)器傳遞機(jī)械振動(dòng)和力量到塑料制品上。在配件的接口界面生熱，融化塑料，并生成一個(gè)牢固的邊界。

在這些系統(tǒng)中，電源、轉(zhuǎn)換器、增壓機(jī)、喇叭狀存儲(chǔ)器共同作用導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)。電源需要標(biāo)準(zhǔn)電氣線路電壓并將其轉(zhuǎn)化為工作頻率（在這個(gè)例子中為20 kHz）。供電頻率是固定的，其可用范圍在15~70 kHz。最常見(jiàn)的頻率是：20、30、40 kHz。

這種電能通過(guò)一種RF（射頻）電纜發(fā)送到變頻器。變頻器在電源的操作頻率下利用壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)的增加或減少基于增壓機(jī)和存儲(chǔ)器的配置。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械振動(dòng)，即振幅，通常是由應(yīng)用工程師基于焊接材質(zhì)確定的。

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式機(jī)器系統(tǒng)中，增壓器的基座和柱架可以去掉，以便為融入自動(dòng)化提供一個(gè)最佳配置。增壓器的作用是傳送轉(zhuǎn)換器，增壓機(jī)，喇叭狀存儲(chǔ)器的作用力到塑料制品處。焊接力為50~750磅不等。增壓器也可以有其他組件如線性編碼器測(cè)量焊縫的長(zhǎng)度。

這個(gè)工藝的局限性主要來(lái)自被焊接的材料和塑料制品的大小。易于焊接的材料如ABS，塑料制品的尺寸達(dá)到了10×10 in，可用15 kHz焊機(jī)焊接。較難焊接的材料，如尼龍，尺寸接近3.5平方英尺或直徑接近3.5 in，可能是最大的可焊接材料。喇叭形存儲(chǔ)器的輪廓或凸起也可能限制其范圍。

振動(dòng)焊接是通過(guò)在合適的位置固定一個(gè)組件，同時(shí)配合組件在力的作用下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。振幅在0.030~0.160之間，頻率范圍在100~240 Hz之間。機(jī)械被設(shè)計(jì)成可以將配件返回到原來(lái)的同軸度。相對(duì)其他的超聲波工藝這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，具有較短的周期時(shí)間。幾乎所有的熱塑性塑料（晶體、半晶體的以及非晶體）可以成功地使用這一工藝焊接。大型的、復(fù)雜形狀的塑料制品也可以焊接，并且可以將多個(gè)塑料制品的焊接在一個(gè)周期內(nèi)完成。

振動(dòng)焊接對(duì)材料的累積熱、添加劑、著色劑、填料、甚至環(huán)境污染物如灰塵、油漆、油脂等要求非常寬松。能耗較低。不同種類的工具（包括大小和類型不同）可在同一臺(tái)機(jī)器上同時(shí)操作，而不需要專門的機(jī)器和工器具。

高強(qiáng)度密封層是可能的（99.9%的震動(dòng)應(yīng)用必須在某種方式下防漏或防止灰塵，空氣、水、血液、調(diào)色劑、油墨、氦等）?！凹m正”融化是可能的，意義在于能量可以不斷供給塑料制品以便克服零部件的不一致問(wèn)題。

振動(dòng)焊接不影響內(nèi)部組件，如印刷電路板。標(biāo)準(zhǔn)的周期范圍從5~15 s不等，這取決于塑料制品的大小。

振動(dòng)焊接的局限性主要與塑料制品設(shè)計(jì)師融合工藝所需特性的能力有關(guān)。 因?yàn)闄C(jī)械摩擦產(chǎn)生焊接，部件間須發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，間距至少0.070 in。振動(dòng)垂直的外壁必須設(shè)計(jì)，這樣他們?cè)谡駝?dòng)時(shí)不會(huì)彎曲。根據(jù)焊縫的大小和深度的融化，一定數(shù)量的焊接會(huì)產(chǎn)生“焊瘤”。如果因?yàn)槊烙^的要求須隱藏焊瘤，一個(gè)焊瘤控制或焊瘤捕獲器將被納入到部分設(shè)計(jì)中。

近期的技術(shù)進(jìn)步是振動(dòng)焊接和紅外技術(shù)相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)。這種方法，被稱為清潔振動(dòng)技術(shù)（CVT），焊接面可以使用紅外熱源預(yù)熱，然后振動(dòng)焊接在一起。這種技術(shù)體現(xiàn)了所有振動(dòng)焊接的優(yōu)點(diǎn)，但使得在標(biāo)準(zhǔn)工藝流程中的焊瘤和顆粒最小化。塑料制品像在標(biāo)準(zhǔn)工藝中一樣加載，然而，紅外熱源卻消除了焊縫。一旦撤出紅外熱源，就只剩振動(dòng)焊接的部分，焊接周期通常要延長(zhǎng)到25~40 s。

圖1 電源、轉(zhuǎn)換器、增壓器、喇叭狀存儲(chǔ)器共同作用導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)

圖2顯示了同一塑料制品在使用布蘭森（Branson）清潔振動(dòng)技術(shù)后其導(dǎo)接線更平整，該種焊接將振動(dòng)與近紅外激光焊接相結(jié)合。

圖2　從PC到PC/ABS的振動(dòng)焊接的導(dǎo)接線

旋轉(zhuǎn)焊接是一種摩擦方法（見(jiàn)圖3），加入了兩個(gè)熱塑性部件在一起形成一個(gè)分子鍵。該焊接是通過(guò)一個(gè)塑料制品與固定的另一個(gè)塑料制品在一定夾緊力的作用下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦而完成的。旋轉(zhuǎn)停止后，在較短時(shí)間內(nèi)塑料制品凝固在一起。當(dāng)然，兩個(gè)組件之間的聯(lián)合焊接必須是圓形。一個(gè)通常位于上旋轉(zhuǎn)的部分，但例外的情況也可以基于塑料制品幾何圖產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)焊機(jī)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)以及氣壓缸或電動(dòng)馬達(dá)提供焊接力，和一個(gè)控制制動(dòng)器動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)等焊接參數(shù)的控制器。

圖3　旋轉(zhuǎn)焊接

旋轉(zhuǎn)焊接有許多超過(guò)其他焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，例如可以獲得高強(qiáng)度密封層和相對(duì)較短的焊接時(shí)間（1~2 s，總周期時(shí)間在5~7 s內(nèi)）。此外，這個(gè)過(guò)程并不像超聲波焊接材料那樣特殊，所以大多數(shù)熱塑性塑料都可以處理。只要熔流指數(shù)和熔化溫度非常相似，你也可以用不同的制模工藝焊接材料（如：擠壓或吹塑塑料制品）。在這個(gè)過(guò)程中，可以很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接，這是與超聲波焊接相比的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。使用伺服系統(tǒng)，使配件間的定位成為可能。

2　非摩擦工藝

熱平板焊接有一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：幾乎任何形狀的塑料制品都可以焊接。只要熱注射的設(shè)計(jì)可以匹配零部件展開圖的曲率，就可以使用熱平板焊接。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，產(chǎn)生的焊點(diǎn)是均勻一致的。它不能折斷或脫落，不會(huì)產(chǎn)生顆粒，這在醫(yī)療設(shè)備等市場(chǎng)和消費(fèi)者方面尤其需要。這個(gè)工藝還可以用于處理部分超出限定的熔體。大型、復(fù)雜形狀的塑料制品也能焊接，且多個(gè)塑料制品也可以在一個(gè)周期中焊接。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的工藝中，組裝件都設(shè)置到夾緊裝置中，使其接觸由一個(gè)加熱元件和兩個(gè)熱嵌件組成的熱平板的兩個(gè)面。一旦零部件達(dá)到樹脂的熔體溫度、熱壓板被去掉，零部件被連接或焊接。標(biāo)準(zhǔn)的周期運(yùn)行范圍在30~50 s。

熱板焊接的缺陷在很大程度上與焊接周期有關(guān)。能源消耗相對(duì)其他焊接工藝也很高。接觸到塑料部件的工具（熱嵌件）通常涂有聚四氟乙烯作為釋放劑。聚四氟乙烯是一種耐磨性材料，所以熱嵌件必須經(jīng)常涂抹作為定期的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃的一部分。

激光焊接（見(jiàn)圖4）是一種溫和的和清潔的接縫工藝，可以對(duì)很難與其他工藝融合的復(fù)雜幾何形狀的塑料制品和材料進(jìn)行焊接。激光焊接的一種獨(dú)特的方法是通過(guò)同時(shí)傳輸紅外線來(lái)焊接（STTIR），通過(guò)焊接工藝過(guò)程中熔化或移位提供堅(jiān)實(shí)可靠的密封，且不產(chǎn)生顆粒。激光焊接要求組裝的部件是可穿透的，另外是可以吸收的。同樣的，組裝的幾何形狀也必須允許激光能穿透到焊接點(diǎn)處。

圖4　激光焊接

設(shè)備一般裝有激光光源在780~980 nm紅外范圍內(nèi)，能量通過(guò)安排在周邊焊接的光導(dǎo)纖維束直接到設(shè)備元件。由二極管的激光輸出可以在一些小的或大的區(qū)域上進(jìn)行，這取決于所需的功率密度。纖維束由環(huán)形套管或便于模具設(shè)計(jì)的其他幾何輸出圖形制成。一臺(tái)典型的激光焊機(jī)包括一個(gè)電源，控制裝置和冷卻系統(tǒng)，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和激光傳導(dǎo)裝置。系統(tǒng)可以是臺(tái)式安裝或易于自動(dòng)化。

這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是廣泛的，沒(méi)有任何微?；蚝噶霎a(chǎn)生。在許多應(yīng)用中這是非常理想的，但是在醫(yī)學(xué)、汽車、電子產(chǎn)品組裝等方面有更大的優(yōu)勢(shì)。周期范圍為5~7 s，相對(duì)較短。在工藝中，焊接裝置和激光傳導(dǎo)裝置兩個(gè)組件之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，他們都是固定的，所以兩個(gè)組件之間的距離也是固定的。

一個(gè)關(guān)鍵的限制是兩個(gè)拼接組件中一個(gè)組件必須可以透過(guò)激光，另一個(gè)必須吸收激光能量。理想的情況為：第一部分是一個(gè)清潔的部分，另一部份包含炭黑顏料。發(fā)射激光的部分必須是透明的，但有很多彩色的顏料也可以傳輸激光，這樣人眼才能看到顏色。除了炭黑以外還有其他色素可以吸收激光以便完成焊接?？梢钥隙ǖ氖悄愕纳屎皖伭系慕Y(jié)合會(huì)使設(shè)備更恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)轉(zhuǎn)，這些你需要與設(shè)備供應(yīng)商咨詢。

熱處理焊接是利用加熱的探針直接接觸塑料使其融化并塑造成所需形狀的一種塑料接縫技術(shù)。當(dāng)安裝嵌件或其他金屬組件時(shí)，探針接觸金屬部件，將熱量通過(guò)部件轉(zhuǎn)移到塑料。熱處理工藝與鉚固和嵌入更密切相關(guān)，但可以用在許多應(yīng)用中，包括模鍛、過(guò)濾、薄膜和鋁箔焊接;也可以蓋日期戳，等等。

一般來(lái)說(shuō)， 熱處理的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是比超聲波組裝對(duì)塑料的使用范圍更廣。熱處理工藝也適用于同時(shí)鉚合和嵌入大量的塑料制品而不會(huì)顯著增加周期時(shí)間。它是一個(gè)靜態(tài)的工藝，并且產(chǎn)生的微粒不會(huì)比其他的工藝多。使用了微少的組分如多氯聯(lián)苯（PCBs）的塑料制品可被損壞，這傾向于使用熱處理工藝，是因?yàn)樗娜岫?。此外，嵌入件拔?旋出的力值，熱處理略高于超聲波裝入的嵌件。

周期時(shí)間是一個(gè)限制性因素，因?yàn)樗且粋€(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程。其控制因素是從探針到塑料的熱傳遞。這可以通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)（旋轉(zhuǎn)的，多重作業(yè)）或大量的鉚合/嵌入的點(diǎn)來(lái)抵消。

3　如何確定合適的工藝

盡管許多選項(xiàng)可用，但很難確定哪些工藝最適合您的應(yīng)用，這是一個(gè)適合大多數(shù)應(yīng)用的思維過(guò)程。

（1）首先需要考慮的是材料。有些材料，如表1所示，更容易與給定工藝相適應(yīng)。例如，聚烯烴在超聲波焊接中有局限性，但在其他的工藝中都建議使用。熱塑性橡膠（TPRs）/熱塑性彈性體（TPEs）不建議在超聲波焊接中使用 ，且在一些其他的應(yīng)用中也是受限制的，所以推薦其他工藝。切記表1的建議都是通過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)得來(lái)，另外，“受限”并不意味著你不能獲得良好的效果，這是一個(gè)指導(dǎo)，而不是一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)則。

（2）第二個(gè)需要考慮的因素是塑料制品的幾何形狀。讓我們先看一下塑料制品的大小。超聲波焊接的局限性之一是工具的大小。頻率越低（15 kHz），工具尺寸越大（最大尺寸約為10 in×10 in），頻率越高（40 kHz），工具的尺寸越?。ㄗ钚〕叽缂s為2.5 in×2.5 in）。如果塑料制品超出這個(gè)范圍，你將不得不考慮多點(diǎn)超聲波焊接或另一個(gè)組裝工藝。

（3）為了進(jìn)一步了解塑料制品的幾何形狀，我們來(lái)了解塑料制品的復(fù)雜性和焊縫形狀。一些組裝工藝可以輕易的適應(yīng)這些特性，另一些卻不行。

（4）壁厚和內(nèi)壁也必須加以考慮。振動(dòng)焊接，由于其線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，難以焊接長(zhǎng)條狀無(wú)支撐管壁，而其他技術(shù)沒(méi)有這方面的問(wèn)題。

（5）產(chǎn)量也不容忽視。一些工藝技術(shù)如超聲波、旋轉(zhuǎn)和激光焊接在幾秒鐘內(nèi)或更快組裝完成，然而熱平板焊接時(shí)可能需要40~50 s。在某些情況下可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)焊接多個(gè)塑料制品來(lái)提高吞吐量。

（6）設(shè)備投資成本應(yīng)該是最后考慮的方面，盡管這比實(shí)踐起來(lái)更容易。如果你基于最初的成本選擇了一個(gè)工藝，你可能沒(méi)有考慮長(zhǎng)期加工成本，如：廢料，停機(jī)時(shí)間，換模等。

（XS-04）

JSR推出3D打印用高韌聚乳酸

絲線材料是熔融積層方式3D打印機(jī)使用的樹脂材料。目前在熔融積層方式中普遍使用的聚乳酸（PLA0類及ABS類樹脂）存在多個(gè)問(wèn)題，比如強(qiáng)度低、加工過(guò)程中絲線易折斷、無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定成型、成型品較脆等。日本JSR公司推出的3D打印機(jī)用絲線材料新產(chǎn)品—高韌性PLA類樹脂F(xiàn)ABRIAL系列產(chǎn)品可改善上述問(wèn)題。此外，使用FABRIAL P系列絲線可擴(kuò)展造型物的用途，用于制造最終產(chǎn)品。今后該公司將擴(kuò)充產(chǎn)品線以滿足包括高柔性及高強(qiáng)度高材料等在內(nèi)的多種用途需求。

燕豐供稿

How to select plastic component assembly process

TQ320.674

1009-797X(2015)10-0039-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.007

王塑（1987-），女，中國(guó)人民大學(xué)金融學(xué)碩士，從事翻譯和編輯工作。

2014-08-14