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超声波焊接原理、材料选择和焊缝设计(上)

作者:总管理员   时间:2022-01-11 11:18:36  来源:未知   浏览:2551次
超声波焊接利用高频超声波能量(15-50 khz)产生低振幅(1-100μm)机械振动。这种振动传递到部件连接接头处,产生热量,导致热塑性材料熔化,冷却后形成焊缝。超声波焊接是目前已知的最快的焊接技术,焊接时间通常在0.1秒到1.0秒之间。

振源越靠近焊缝接头,因为材料吸收损失的能量就越小。当振源到接头的距离小于6.4mm时,该过程被称为近场焊接。适用于具有高能量吸收特性的结晶材料和低刚度的材料。当振源到接头距离大于6.4mm时,该过程被称为远场焊接。适用于具有低能量吸收特性的无定形材料和高刚度材料。

在焊接过程中,超声波振动垂直于接头表面。导能筋上尖点在压力下与被焊接零件接触。在尖点上产生大量的热,导能筋开始熔化。焊接过程可分为4个阶段。

    超声波焊接的优点和缺点

与其它塑料焊接工艺相比,生产效率更高,成本更低。模具设计相对简单,可实现快速换模,增加了设备的利用率和通用性。因为焊缝中不引入其它辅助焊接材料,所以焊缝干净无杂质,不影响设备的生物相容性,也广泛使用在要求更高的医疗保健行业。

应用领域

医学:过滤器、导管、医用服装、口罩。

电子和电器:开关、传感器、执行器等。


聚合物结构

半结晶塑料(Semicrystalline plastics)的分子结构有序排列。需要高热量才能打断其有序排列。熔点(Tm)很尖锐,只要温度稍微下降,液态就会迅速发生固化。因此,从热熔区域流出的熔体会迅速凝固。当处于固态时,半结晶材料分子特性像弹簧,会吸收很大一部分超声波振动,而不是将振动传递给接头区域。因此对于半结晶材料,需要采用高幅值输出的焊头,以产生足够的热量。

热塑性塑料中的填充剂(玻璃纤维、滑石粉、矿物质)可以增强或抑制超声波焊接。材料如碳酸钙、高岭土、滑石粉、氧化铝,有机纤维、二氧化硅、 玻璃球、偏硅酸钙(硅灰石)和云母能够提高树脂的硬度。研究表面,当填充剂含量20%时,能有效增强超声波振动在材料中的传输效率,尤其对半结晶材料效果显著。

当填充剂含量超过10%时,材料中的磨料颗粒会导致焊头磨损。因此,建议使用硬质合金钢焊头,或者表面有碳化钨涂层的钛合金焊头。可能还需要选择更高功率的超声波设备,以便在接头处产生足够的热量。

虽然添加剂可以改善材料的整体性能或注塑成形特性,但往往抑制了超声波焊接。典型的添加剂有润滑剂、增塑剂、冲击改性剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂和重新研磨使用的树脂。

增塑剂,高温有机液体或者低温熔融固体增加了材料的柔软性,降低了材料刚度。它们降低了聚合物内部分子间的吸引力,干扰了振动能量的传递。高塑化材料如乙烯基,是非常差的超声波振动传递材料。增塑剂被认为是内部添加剂,但随着时间的推移会迁移到塑料表面,从而使得超声波焊接几乎无法实现。

材料中添加的阻燃剂、无机氧化物或卤化有机元素(如铝、锑、硼、氯、溴、硫、氮或磷),能够抑制火点或改变材料的燃烧特性。在大多数情况下,它们是不可以焊接的。阻燃剂可占材料总重量的50%或以上,大大减少了可焊接材料的含量。对于此类材料焊接,必须选择高功率设备和大振幅焊头,以及修改接头设计增加接头区域可焊接材料的含量。

发泡剂降低了材料传递超声波振动的能力。因为材料的低密度,以及分子结构中的大量孔隙,干扰了能量的传递。

脱模剂

此外,脱模剂对树脂会造成化学污染,即抑制适当化学键的形成。其中硅酮影响最为有害。脱模剂有时可以用溶剂去除。如果必须要使用脱模剂,那么选择适合的等级,防止脱模剂转移到零件表面。
相同材料的不同等级可能具有不同的熔化温度和流动指数。甚至一种等级可以融化和流动,而另一种等级却无法焊接。例如,PMMA的铸造等级具有较高的分子量和熔化温度,比注射/挤压等级的PMMA更脆。因此它们更难焊接。

含水量

不同种材料

只有具有化学相容性(即具有相似分子结构)的材料才能焊接。材料相容性只存在于无定形材料之间。例如ABS与PMMA,PC和PMMA,PS和改良的PPO。半结晶塑料PP和PE具有相似的物理特性,但是不具有材料相容性而无法焊接。下表列出了用于超声波焊接的热塑性塑料的材料相容性。

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