一體成型（注塑）材料超聲波焊接工藝分析

【摘? 要】一體成型材料由于加工成本低廉、結(jié)構(gòu)成型快速等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于塑料或橡膠制品加工領(lǐng)域，超聲波焊接技術(shù)作為一種新型的塑料制品焊接加工工藝憑借其焊接速讀快、經(jīng)濟(jì)、干凈、美觀等特點(diǎn)受到操作人員的青睞，通過對(duì)超聲波焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作過程進(jìn)行闡述，介紹焊接材料的設(shè)計(jì)原則，分析焊接振幅、焊接壓力、焊接時(shí)間等因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，為實(shí)際焊接工作提供理論性參考。

【關(guān)鍵詞】一體成型材料;超聲波焊接;工作原理;影響因素

引言

傳統(tǒng)的塑料材料連接方式有粘接、融合等方式，采用塑料粘接劑連接兩個(gè)塑料材料是最常見的連接方式，但是隨著粘接劑的老化會(huì)出現(xiàn)連接斷裂的現(xiàn)象，融合是將兩個(gè)塑料材料表面加熱使材料處于熔融狀態(tài)再連接到一起，這種方法雖然可以保證材料連接穩(wěn)固但是會(huì)破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)于高精度的塑料材料無法適用于該方法。而超聲波焊接工藝完全消除了傳統(tǒng)連接方法的缺點(diǎn)，超聲波焊接工藝有如下優(yōu)點(diǎn)：焊接速度快并且連接強(qiáng)度高，總體焊接時(shí)間不會(huì)超過1s，其次焊接過程不會(huì)破壞塑料表面，焊接區(qū)域以外的部分不會(huì)發(fā)熱，不需要前處理，焊接后能保證焊接部位的密封性，不需要額外的輔助熔接劑等等。

超聲波焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、家電行業(yè)、航空航天、玩具制造業(yè)等領(lǐng)域，具有著非常廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)于優(yōu)化超聲波焊接技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了十分深入的研究。本文首先對(duì)超聲波焊接工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其次分析各種因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

1.超聲波焊接工藝介紹

1.1焊接機(jī)工作原理

超聲波焊接機(jī)主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿裝置、焊接頭等結(jié)構(gòu)組成，其工作原理如下：超聲波作用于具有熱塑性注塑材料的接觸面，產(chǎn)生頻率為15-40KHz的高頻振動(dòng)，超聲波能量通過上焊件傳送到需要焊接的部位，兩個(gè)焊接表面之間的交界處具有較大的聲阻，由此產(chǎn)生局部高溫。注塑件的熱傳導(dǎo)性均較差，所以產(chǎn)生的熱量可以聚集在焊接部位，焊接部位的接觸面高溫融化并施加一定壓力使得接觸面融合成一體。在超聲波停止作用后焊接壓力還會(huì)維持一段時(shí)間等待焊接部位凝固成型，使焊接部位的焊接強(qiáng)度接近于原有的注塑材料。其中焊接加工方式可以分為兩類：線性振動(dòng)焊接和軌道振動(dòng)焊接，其中線性振動(dòng)焊接是指將兩個(gè)材料表面緊密結(jié)合在一起并使一個(gè)材料表面在另一個(gè)材料表面上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于兩材料摩擦生熱使材料表面出現(xiàn)融化從而達(dá)到粘接的目的;軌道振動(dòng)焊接是指焊接頭在材料表面做圓周運(yùn)動(dòng)，使材料表面達(dá)到焊接所需的溫度，當(dāng)材料表面出現(xiàn)融化立即粘接并停止加熱，這種方法適用于尺寸較小的焊接材料。

超聲波焊接不僅僅只限用于塑料材料的焊接，而且可以用于鋅、鎂、鋁等輕金屬材料的焊接，其工作原理和塑料焊接過程大致相同，借助靜壓力和超聲波振動(dòng)使金屬材料表面升溫，破壞金屬表面的氧化層使金屬原子之間擴(kuò)散結(jié)合達(dá)到焊接的目的，這種焊接方法不僅消除了傳統(tǒng)金屬焊接會(huì)出現(xiàn)的飛濺氧化等問題，而且由于沒有對(duì)金屬材料輸電加熱，所以不會(huì)改變金屬材料原有的導(dǎo)電性能。

1.2焊接材料選用建議

在超聲波焊接過程中要求材料原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最小形變并且可重復(fù)焊接過程，需要焊接的材料表面必須具有統(tǒng)一規(guī)格并且可以相互緊密連接，在焊接過程中盡量保持兩材料表面處于同一水平面，這樣可以保證焊接過程的能量轉(zhuǎn)換過程相同;需要焊接的材料表面越小越好，由于超聲波焊接需要的激發(fā)能量較大，要保證采用盡可能少的焊接能量來完成焊接工作;為了確保焊接過程連接的穩(wěn)固需要對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，例如插接孔、齒口等結(jié)構(gòu)。

對(duì)于焊接材料的選用建議有以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)于塑料焊接材料要保證材料具有一定的剛度和厚度，禁止采用薄壁材料進(jìn)行焊接;（2）在焊接箱形材料時(shí)為了避免由于共振產(chǎn)生的能量集中進(jìn)而導(dǎo)致材料破壞的問題，可以采用增加材料厚度、設(shè)置加強(qiáng)筋、避開焊接中間位置等措施;（3）對(duì)于應(yīng)力集中的注塑材料，例如L形角鋼，可以采用將直角轉(zhuǎn)變?yōu)閳A角的方式避免超聲波共振的問題。

2.焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響分析

2.1焊接振幅

焊接的振幅是材料焊接之前就需要考慮的因素，對(duì)于常規(guī)的PVC和PE材料其焊接的振幅范圍在20-60μm之間，在給定的振幅范圍內(nèi)，振幅的增加會(huì)提升焊接能量的傳遞效率，從而提高焊接的強(qiáng)度，根據(jù)相關(guān)人員研究在25-40μm之間隨著焊接振幅的增加，PP材料和玻璃纖維聚合材料的焊接強(qiáng)度有明顯提高，但是這些規(guī)律只滿足于晶體材料，對(duì)于非晶體材料例如PS振動(dòng)幅度的增加對(duì)焊接強(qiáng)度沒有很大的影響，對(duì)于半晶體材料例如PE只有達(dá)到限定的振幅才會(huì)出現(xiàn)焊接強(qiáng)度增加的情況，當(dāng)?shù)陀谙薅ㄕ穹鶗r(shí)焊接強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。

2.2焊接壓力

焊接壓力是影響材料焊接質(zhì)量的最主要因素之一，焊接壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響是多方向的，但是從總體上來講在給定的安全范圍內(nèi)隨著焊接壓力的增加焊接質(zhì)量會(huì)逐漸增加，例如聚丙烯復(fù)合材料，當(dāng)焊接壓力逐漸從零增加到0.15MPa時(shí)，材料的焊接質(zhì)量會(huì)有顯著的提升，從0.15MPa增加到0.4MPa，材料的焊接質(zhì)量基本保持不變并且在焊接壓力超過0.4MPa時(shí)材料會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象。焊接壓力主要是通過影響材料熔融層的厚度和取向程度進(jìn)而影響焊接質(zhì)量，焊接壓力增加材料熔融層厚度減少焊接層的取向程度增加。

2.3焊接時(shí)間

焊接時(shí)間過長(zhǎng)或者過短都會(huì)降低材料的焊接質(zhì)量導(dǎo)致焊接強(qiáng)度的降低，通過對(duì)PP和PVC兩種材料的焊接時(shí)間對(duì)質(zhì)量的影響分析，發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量會(huì)隨著焊接時(shí)間有一個(gè)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)焊接時(shí)間大約為0.5s時(shí)焊接的接口強(qiáng)度最大，但是超過這個(gè)時(shí)間就會(huì)明顯下降，并且過長(zhǎng)的焊接時(shí)間對(duì)焊接接口強(qiáng)度的影響小于過短的時(shí)間。除此之外焊接時(shí)間對(duì)于不同厚度的材料焊接質(zhì)量具有相似的影響，通過對(duì)聚乙烯材料焊接時(shí)間分析，得出相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

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作者簡(jiǎn)介：謝銳，男，漢族，四川南充人，大專，助理工程師，主要負(fù)責(zé)新產(chǎn)品過程開發(fā)。