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超聲波塑料焊接

2021-07-22 10:17
頻率高于20kHz的聲波稱(chēng)為超聲波。超聲波焊接技術(shù)是功率超聲的重要分支。與其它連接封合技術(shù)相比,超聲波塑料焊接具有以下優(yōu)勢(shì):

(1）焊接時(shí)間短,效率高。一般超聲波焊接過(guò)程在數(shù)秒內(nèi)可完成,適用于大批量生產(chǎn)。
(2）局部產(chǎn)熱,無(wú)需外部熱源。該方法中,超聲振動(dòng)的機(jī)械能在設(shè)計(jì)的焊接區(qū)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熱影響區(qū)小,能夠減小整體變形和殘余應(yīng)力。
(3）適用的材料范圍廣。幾乎對(duì)所有的熱塑性聚合物和部分半結(jié)晶聚合物都適用。
(4）無(wú)需焊料等中間介質(zhì)。超聲波塑料焊接靠器件自身材料的熔融實(shí)現(xiàn)連接,焊接過(guò)程中不引入外來(lái)物質(zhì),這對(duì)材料有嚴(yán)格要求的應(yīng)用是非常有用的。

圖1是典型的超聲波焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)組成,由電路系統(tǒng)、機(jī)械裝置以及聲學(xué)系統(tǒng)組成。
超聲波焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖一  超聲波焊接設(shè)備

電路系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器和機(jī)械裝置控制系統(tǒng)。信號(hào)發(fā)生器將輸入的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲頻率的電信號(hào)。機(jī)械裝置的控制系統(tǒng)用來(lái)控制焊接過(guò)程中各部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

機(jī)械裝置包括支架、機(jī)座、調(diào)平等焊接輔助設(shè)備、能夠帶動(dòng)聲學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置等。

聲學(xué)系統(tǒng)是超聲波焊機(jī)的核心部分,它主要包括換能器、變幅桿以及工具頭三部分。其中換能器是將電路系統(tǒng)中輸人的電信號(hào)通過(guò)壓電﹑磁致振動(dòng)等原理轉(zhuǎn)化成超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。一般換能器直接輸出的超聲振動(dòng)幅值較小,當(dāng)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的變幅桿之后,振動(dòng)信號(hào)會(huì)被放大。工具頭的作用是將超聲波振動(dòng)傳導(dǎo)到焊接工件中,要求焊接過(guò)程中工具頭要與焊件接觸良好。
超聲波聚合物焊接原理
圖二  超聲波聚合物焊接原理
 
如圖2所示,超聲波焊接通過(guò)導(dǎo)能筋的引導(dǎo)作用使能量在特定區(qū)域集中，導(dǎo)能筋熔融后實(shí)現(xiàn)器件的局部連接,而通過(guò)超聲波產(chǎn)生熱量的機(jī)理目前還沒(méi)有一致的觀點(diǎn)。目前,關(guān)于超聲波聚合物焊接的產(chǎn)熱內(nèi)在機(jī)理主要有以下觀點(diǎn)。

1) 高頻摩擦熔焊
待焊接件的表面在壓力作用下被緊密貼合,當(dāng)超聲振動(dòng)傳遞到待焊的聚合物器件表面時(shí),質(zhì)點(diǎn)會(huì)被超聲波激發(fā)而快速振動(dòng),接觸表面因振動(dòng)而產(chǎn)生摩擦,因摩擦使焊接面的溫度升高,直至達(dá)到材料的熔融實(shí)現(xiàn)熔融連接目的。非焊接面不產(chǎn)生摩擦,因此溫度不會(huì)升高,焊接過(guò)程中也不會(huì)受到損壞。

2）應(yīng)力應(yīng)變的儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)換機(jī)理
對(duì)于聚合物這類(lèi)黏彈性體來(lái)說(shuō),超聲波在聚合物體中傳播產(chǎn)生機(jī)械功,機(jī)械功的表現(xiàn)方式是聚合物質(zhì)點(diǎn)因振動(dòng)引起的連續(xù)交替的受壓和解壓。交變應(yīng)力施加到材料上時(shí),材料的力加載和卸載曲線不能完全重合而形成封閉環(huán)路,環(huán)路所包圍的面積代表材料內(nèi)所積聚的能量,這是分子的黏滯效應(yīng)所致,持續(xù)的高頻交變應(yīng)力荷載使材料溫度迅速升高,在聚合物超聲波焊接過(guò)程中,產(chǎn)生的熱量直接影響焊接界面的溫度,影響連接面的熔化行為。

3) 聚合物摩擦熱和黏彈熱復(fù)合產(chǎn)熱機(jī)理
張宗波等通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,提出超聲波作用下聚合物摩擦熱和黏彈熱復(fù)合產(chǎn)熱機(jī)理的觀點(diǎn),認(rèn)為摩擦熱是該過(guò)程的啟動(dòng)熱源,而黏彈熱是聚合物發(fā)生熔融的主要熱源。

超聲波塑料焊接工藝操作簡(jiǎn)單、安全可靠，焊接速度快，降低了產(chǎn)品成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)還可以選用鉚接、埋植、切割、成型、封口等方式進(jìn)行焊接，焊接形式多樣，能滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的要求。超聲波塑料焊接的突出優(yōu)點(diǎn)正好克服了傳統(tǒng)塑料連接的缺點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模大批量生產(chǎn)，自動(dòng)化控制。