超声波焊接过程
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。
超声波振动在热塑性塑料中产生正弦驻波。部分能量因为分子间摩擦而消散,导致材料温度升高。另一部分被传送到接头处,因边界摩擦产生局部加热。因此,超声波能量的最佳传输路径以及后续接头材料熔化行为,取决于零件的几何形状和材料的超声波吸收特性。
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。
在接头表面容易产生高温,是因为接头表面“凹凸不平”,比材料本体更容易产生更大的应变和更大的摩檫力。对于许多超声波焊接应用中,在上零件表面有一个三角形凸起,被称为导能筋,该特征有助于在接头处聚集振动能量。
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。
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第一阶段,导能筋顶部熔化,熔化速度加快,随着接头两侧间隙减少,熔融的导能筋完全铺展并接触下方零件,此时导能筋的熔化速度降低。 -
第二阶段,上下两零件面面接触,熔化区域加大。 -
第三阶段,稳态熔化阶段,形成具有一定厚度的熔融层,也伴随产生恒定的温度场。当过程达到设定的焊接能量,或时间,或距离或其它控制条件时,超声波停止。 -
第四阶段,继续保持压力,一些过量的熔体被挤压出焊缝,零件之间形成分子键连接并冷却。
超声波焊接的优点和缺点
超声波焊接是目前工业中使用最为广泛的塑料连接技术,具有快速、经济,易于集成自动化特点,非常适合大批量生产作业,生产节拍可高达每分钟60件。焊缝稳定性好,强度高。焊接时间比其它焊接工艺都短,不需要复杂的通风系统来排除烟雾,以及冷却系统排除多余热量。能量利用率高。
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。
超声波焊接的局限性。当产品尺寸超过250mmX300mm,焊头设计困难,无法一次焊接完成。往往要采用多个焊头同步焊接,或者单个焊头多次焊接完成。超声波焊接结果的好坏,与焊缝结构设计、注塑件尺寸误差和变形有很大关系。超声波振动容易对敏感电子部件造成损伤,尽管采用更高频率和降低振幅能够减少这类损伤。
应用领域
超声波焊接几乎适用于所有主要行业。
医学:过滤器、导管、医用服装、口罩。
汽车:前灯、仪表盘、按钮和开关、燃料滤清器、液体容器、风管等。
电子和电器:开关、传感器、执行器等。
包装:水泡袋、袋子、储存容器、管嘴。
材料选择
聚合物结构
无定形塑料(Amorphous plastics)分子结构随机分布,无固定的排列方向,具有在较宽的温度范围内逐渐软化的特点。这类材料达到玻璃态转变温度Tg时,材料逐渐软化,然后再进入液体熔融状态。材料由液态进入固化时,也是逐渐过渡的。无定形材料能有效传递超声波振动,且因为软化温度范围较宽,所以更容易焊接,也更容易实现密封性。
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。
填充剂
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。
当填充剂含量达35%时,焊缝处可能因树脂含量不足影响密封可靠性。当填充剂含量达到40%时,玻璃纤维会聚集在接头位置,焊缝处会因为剩余的树脂含量不足影响其焊接强度。在注塑时,长玻璃纤维更容易堆积在导能筋上。一个解决该问题的方法,用短玻纤纤维代替长玻璃纤维。
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。
添加剂
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。
润滑剂(如蜡、硬脂酸锌、硬脂酸、脂肪酸酯)降低聚合物分子间的摩擦系数,也会减少热量的产生。然而因为润滑剂浓度很低且分散,所以这种影响在接头处通常是很小的。
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。
冲击改性剂,如橡胶降低了材料传递超声波振动的能力,因此需要更大的振幅来熔化塑料。
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。
大多数着色剂(颜料或染料)不会抑制超声波振动的传递。但是它们会减少接头区域可焊材料的含量。二氧化钛(TiO2),用于白色颜料,是无机物且具有化学惰性。但其含量超过5%时,可以起到润滑剂的作用,从而抑制超声波焊接。炭黑也会干扰超声波能量在材料中的传递。
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。
当材料中加入研磨树脂时(回料),应仔细评估并控制其含量和体积,以达到最佳的焊接效果。在某些情况下,可能需要100%的原始材料,不允许回料的使用。
脱模剂
材料等级
含水量
不同种材料