影響塑膠超聲波焊接工藝因素的分析

鐘國(guó)安 沈鳳梅

摘 要：近年來，超聲波焊接工藝以焊接速度快、能耗低、焊縫一致性好等優(yōu)點(diǎn)，在塑膠產(chǎn)品的焊接上得到了廣泛的應(yīng)用。[1]隨著塑膠原料改性技術(shù)的快速發(fā)展，塑膠原料的品種繁多，影響其超聲波焊接的因素也變得越來越多。本文針對(duì)塑膠超聲波焊接工藝的影響因素，從超聲波焊接設(shè)備、塑膠材料焊接特性和塑膠零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了具體闡述。

關(guān)鍵詞：超聲波；焊接工藝；塑膠原料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；影響因素

中圖分類號(hào)：T 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 超聲波焊接設(shè)備

超聲波焊接設(shè)備由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，壓力系統(tǒng)，焊頭，零件工裝夾具等組成?；谀壳暗募夹g(shù)水平，超聲波發(fā)生器最大功率為5.6KW，塑膠零件焊接面積約為200mm（長(zhǎng)）×200mm（寬）。塑膠零件越大，需要焊接的面積和周長(zhǎng)就越大。過大的焊接面積往往導(dǎo)致超聲波功率不足，影響焊接性能，如何提升焊接功率是關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過采用多個(gè)超聲波發(fā)生器來增加超聲波功率，常見的有雙頭超聲波焊接設(shè)備，上下振動(dòng)式超聲波焊接設(shè)備等，如下圖所示。

但這兩種形式的超聲波設(shè)備對(duì)夾緊零件的工裝夾具定位要求高，特別是雙頭機(jī)型，兩個(gè)焊頭獨(dú)立定位裝配，與零件定位不容易匹配。外形復(fù)雜的塑膠零件，需要慎重考慮這種形式的超聲波設(shè)備，因?yàn)樗鼘?duì)焊頭與定位夾具的平行度要求更高。

2 塑膠材料焊接特性對(duì)焊接的影響分析

塑膠材料的物理性能和機(jī)械性能決定了塑膠零件的超聲波焊接可行性和焊接質(zhì)量。實(shí)踐證明，塑膠材料的超聲波焊接性G與彈性模量E（GN/m2）、導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/mK）、摩擦系數(shù)μ成正比，與密度ρ（kg/m3）、比熱容C（J/kgK）、熔點(diǎn)t（K）成反比，如公式（1）。

G=K·E·λ·μ/（ρ·C·t）（1）

K表示塑膠材料焊接系數(shù)，取決于塑膠零件外形大小，壁厚，焊頭設(shè)計(jì)等參數(shù)。對(duì)于焊接強(qiáng)度性能要求高的產(chǎn)品，需要謹(jǐn)慎考慮塑膠材料，盡量從塑膠材料物性表上篩選具有良好焊接性能的材料，以提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量及合格率。

3 塑膠原料的成分對(duì)焊接的影響分析

塑膠原料主要成分由樹脂、填充料（碳酸鈣，玻璃，氫氧化鋁等，玻璃纖維，云母等）和添加劑（阻燃劑，增塑劑，潤(rùn)滑劑，抗沖擊劑，發(fā)泡劑，光擴(kuò)散劑，著色劑）[2]等組成。塑膠原料生產(chǎn)廠家為了滿足不同的產(chǎn)品性能，需要針對(duì)某些特殊要求進(jìn)行改性處理。改性塑膠提升了塑膠原料的特定性能，而對(duì)超聲波焊接工藝也存在很大的影響。

填充料在塑膠組成成分中占據(jù)比例較大。通常填充料都是無機(jī)化學(xué)物，不會(huì)改變塑膠分子的排布結(jié)構(gòu)。填充材料剛性大有利于超聲波振動(dòng)能量的傳遞，在焊接面產(chǎn)生更大的摩擦和熱量；相反，剛性不足的填充料會(huì)抑制振動(dòng)能量的傳遞，超聲波工藝需要更大的功率和振幅才能達(dá)到良好焊接效果。填充料比例過大時(shí)，焊縫的熔融樹脂就相對(duì)減少，焊接強(qiáng)度及密封可靠性就就降低。聚丙烯和聚丙烯+15%碳酸鈣于相同的超聲波工藝條件下焊接，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，數(shù)據(jù)如下表，聚丙烯加入碳酸鈣填料明顯提升了焊接強(qiáng)度。Liu SJ和Chang IT對(duì)PA66+GF15%和PA66+GF35%進(jìn)行了超聲波焊接研究，發(fā)現(xiàn)玻纖含量增加延遲焊接時(shí)間，工件焊接強(qiáng)度明顯增加。[3]

添加劑在塑膠原料組成成分中占據(jù)比例較少，但添加劑對(duì)塑膠原料的改性性能起到非常重要在作用。增塑劑、潤(rùn)滑劑、抗沖擊劑和發(fā)泡劑主要是增加塑膠零件成型時(shí)的柔軟性能和成型性，致使材料硬度和剛性降低，大大抑制塑料分子摩擦發(fā)熱并吸收了超聲波振動(dòng)能量的傳遞。因而在這些柔性的添加劑作用下，往往造成焊接困難。當(dāng)產(chǎn)品有阻燃特性要求時(shí)，塑膠原料通過添加阻燃劑來降低材料燃燒性能，阻燃劑在高溫作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，吸收超聲波振動(dòng)的部分熱量；同時(shí)，阻燃劑在高溫下形成玻璃狀或穩(wěn)定的泡沫覆蓋層和碳化物，這部分覆蓋層阻礙了熔融樹脂的熔接；而且阻燃劑在高溫作用下，會(huì)不斷的分解出不可燃?xì)怏w，致使焊縫中存在微量殘余氣體，影響產(chǎn)品的超聲焊接質(zhì)量。大多數(shù)著色劑并不抑制超聲波能量傳遞，[4]但著色劑一般都是無機(jī)化學(xué)物，具有不可焊接性，著色劑混合于樹脂中，具有耐候性，著色穩(wěn)定，遇高溫不易分解等特性，著色劑含量過高時(shí)，零件焊縫熔接樹脂就會(huì)不足。實(shí)驗(yàn)證明，純?cè)铣暡ê附訌?qiáng)度明顯優(yōu)于添加著色劑塑料。

其他因素對(duì)塑膠材料超聲波焊接性的影響：（1）水分。塑膠材料中存在一定含量的水分。塑膠零件在注塑前一般進(jìn)行高溫干燥處理，以便更好的去除水分進(jìn)行注塑成型，得到質(zhì)量高穩(wěn)定性好的零件。但是塑膠內(nèi)部的水分不可能全部去除，在超聲波焊接時(shí)，水分遇高溫汽化，在焊縫處會(huì)留下殘余水汽形成氣孔，還可能對(duì)某些塑膠發(fā)生水解反應(yīng)降解塑膠，大大降低焊接強(qiáng)度并降低焊接質(zhì)量。因此，需要超聲波焊接的零件，在注塑時(shí)需要盡量的做去除水分的處理。（2）脫模劑。脫模劑常用于噴涂在模具模腔內(nèi)，以利于注塑零件脫出模具。不可避免的脫模劑會(huì)轉(zhuǎn)移到注塑的塑膠零件上。脫模劑耐熱性能良好，耐溫達(dá)300℃不發(fā)生碳化降解，性能穩(wěn)定不與樹脂發(fā)生反應(yīng)；具有潤(rùn)滑性，轉(zhuǎn)移到焊縫面上會(huì)減少摩擦，抑制了振動(dòng)摩擦發(fā)熱量；脫模劑在零件表面形成均勻薄膜阻礙樹脂的熔接。為了獲得良好的焊接性能，在超聲焊接前，必須清洗去除零件焊接面處的脫模劑。

4 塑膠零件的超聲波焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的超聲波塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波焊接工藝可以起到事半功倍的影響，所以本文重點(diǎn)闡述了影響超聲焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.1 超聲波導(dǎo)能線設(shè)計(jì)

合理的超聲波導(dǎo)能線設(shè)計(jì)，以及超聲波導(dǎo)能線高度設(shè)計(jì)均會(huì)提高超聲波焊接產(chǎn)品的良率。

如下圖所示，導(dǎo)能線設(shè)計(jì)為榫槽式，塑膠零件焊接裝配定位簡(jiǎn)單容易。按照如圖的參數(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)能線的高度以及榫槽的寬度，熔融樹脂填充槽內(nèi)三面縫隙，增強(qiáng)焊接強(qiáng)度和密封性能，減少焊接飛邊，焊接出的產(chǎn)品更加美觀。

4.2 超聲波塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

實(shí)踐證明，塑膠零件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免塑膠零件中出現(xiàn)尖角、凸出的細(xì)小結(jié)構(gòu)等特征。塑膠零件注塑成型過程中，尖角、凸出結(jié)構(gòu)是應(yīng)力聚集區(qū)域，在超聲波振動(dòng)下容易產(chǎn)生裂痕和斷裂。在尖角位置可以增加適當(dāng)?shù)膱A角過渡，凸出的結(jié)構(gòu)件需增加加強(qiáng)筋，以便于增加塑膠的強(qiáng)度和避免應(yīng)力集中，如下圖4所示。

超聲波傳導(dǎo)區(qū)域應(yīng)盡量避免出現(xiàn)開孔和彎曲突變結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)會(huì)引起超聲波能量在振動(dòng)傳導(dǎo)過程發(fā)生中斷和衰減，導(dǎo)致在開孔和突變結(jié)構(gòu)的下方出現(xiàn)焊接不良現(xiàn)象。

4.3 避免薄膜效應(yīng)

在超聲波焊接過程中塑膠零件表面可能會(huì)出現(xiàn)能量聚集，出現(xiàn)燒焦、燒穿的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在零件的中心區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)可通過以下多項(xiàng)措施來改善：（1）零件內(nèi)部增加加強(qiáng)筋。（2）增加零件壁厚。（3）調(diào)節(jié)振幅。（4）減少焊接時(shí)間。（5）改變超聲波頻率。

4.4 導(dǎo)能線的近場(chǎng)設(shè)計(jì)

塑膠零件的導(dǎo)能線設(shè)計(jì)應(yīng)盡量接近焊頭裝置，近場(chǎng)設(shè)計(jì)有利于超聲波能量的傳遞。距離太遠(yuǎn)，由于塑膠零件的內(nèi)部阻尼作用，將會(huì)大大衰減和抑制超聲波振動(dòng)的能量，需要提升超聲波功率或振幅來改善超聲焊接質(zhì)量。

4.5 導(dǎo)能線的水平設(shè)計(jì)

塑膠零件的導(dǎo)能線設(shè)計(jì)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在同一水平面上，以利于超聲波能量從焊頭同一時(shí)間傳遞到導(dǎo)能線上。導(dǎo)能線設(shè)計(jì)在不同的平面上，超聲波傳遞路線就會(huì)出現(xiàn)不同的段差，導(dǎo)致在距離焊頭近的導(dǎo)能線先融化，而距離焊頭遠(yuǎn)的導(dǎo)能線未融化，增加整個(gè)超聲設(shè)備調(diào)機(jī)的難度，需要不斷的去嘗試不同的焊接時(shí)間以及焊接功率來補(bǔ)償設(shè)計(jì)的不足。

5 結(jié)語

由于超聲波焊接的影響因素復(fù)雜多樣，而且超聲波本身焊接時(shí)間短，焊接后產(chǎn)品難于檢測(cè)焊接質(zhì)量，所以為獲得高焊接強(qiáng)度和密封要求的合格產(chǎn)品，必須選擇合適的超聲焊接設(shè)備，合理的設(shè)計(jì)塑膠零件和焊接頭的結(jié)構(gòu)，根據(jù)塑膠原料的物性表慎重的選擇塑膠原料的種類，通過調(diào)整焊接設(shè)備的焊接工藝參數(shù)，掌握超聲波的焊接機(jī)理，更好地把這項(xiàng)工藝應(yīng)用到塑膠產(chǎn)品上，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊剛.塑料超聲波焊接的研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（2）：61.

[2]T.Herrmann，王立偉.塑料超聲波焊接的研究[J].模具設(shè)計(jì)，1989（4）：69.

[3]Liu S J，Chang IT.Factors Affecting the Joint Strength of Ultrasonically Welded Polypropylene Composites.Polymer Composites，2001；22（1）：132-141.

[4]http：//www.plas.hc360.com/2007daquan/web/jsyy/jsyy_6.htm.