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塑料超聲波焊接的發(fā)展

2021-11-26 17:29
塑料超聲波焊接技術(shù)于1956年由美國瓊斯等人提出，在上世紀(jì)60年代，美國、瑞士、日本、英國、西德以及蘇聯(lián)等國便開始研究這種焊接技術(shù)并開始投入實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)樗芰系暮附有枰^大的功率，而且直至近二、三十多年塑料才大量應(yīng)用于實(shí)際工程和日常生活，所以只是近十幾年來，隨著基礎(chǔ)電子工業(yè)的發(fā)展以及大功率換能器的研制成功，超聲波塑料焊接才逐漸發(fā)展起來。
 
超聲波塑料焊接，也稱超聲波塑膠熔接，臺灣地區(qū)多采用“超聲波”、“熔接”和“塑膠”的說法，大陸地區(qū)多稱“超聲波”、“焊接”和“塑料”，其表達(dá)含義相同，本文采用“塑膠超聲波焊接”的說法。超聲波焊接裝置是機(jī)電一體化的焊接裝置，主要由超聲波發(fā)生器、控制電路系統(tǒng)、聲能系統(tǒng)(換能器、變幅桿、焊頭)以及傳動系統(tǒng)等組成。
 
超聲波發(fā)生器將50Hz的工頻電流轉(zhuǎn)化成(20～50)kHz或其他頻率的超聲頻電流，用以激勵聲學(xué)系統(tǒng)；聲學(xué)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化成同頻率的機(jī)械振動，然后經(jīng)過振動系統(tǒng)變幅桿及焊頭將振幅放大到15～60um,通常在壓力的作用下，經(jīng)過0.5～1.5s的焊接時間后塑膠件的焊縫處得到超聲頻的機(jī)械能。超聲振動導(dǎo)致焊接表面凹凸交變變形，這種微觀不平通過塑膠分子間的摩擦將振動轉(zhuǎn)化為熱能，并熔化這些凹凸點(diǎn)，使之流動并形成一定厚度的融化層，經(jīng)過一定的保壓時間，熔化層形成焊接接頭。
 
塑膠超聲波焊接適合焊接熱塑性塑料，該材料在熱的作用下可產(chǎn)生塑性變形，并可經(jīng)過較短時間的冷卻重新恢復(fù)固態(tài)。熱固性塑料工件不會因高溫和壓力的作用而產(chǎn)生變形，所以無法進(jìn)行超聲波焊接。熱塑性塑料的焊接最初采用的是高頻塑料焊接(HF)方法，此種方法速度、功率均能令人滿意。但是因?yàn)榭珊感缘脑?，聚丙烯等多種材料并不適合采用此種方法。

為了適應(yīng)各種性質(zhì)不同、形式不同的材料，塑膠超聲波焊接機(jī)的功率從幾百瓦到幾十千瓦，換能器和變幅桿的形狀結(jié)構(gòu)也各不相同，研究的方法也各有千秋。
 
超聲波焊接的種類分為點(diǎn)焊、環(huán)焊、縫焊及線焊，也可以按照焊頭接觸面到接頭的距離分為遠(yuǎn)程焊和近程焊。近程焊是指塑件接口部分與電極臂端部的距離在6mm以內(nèi)，超過此距離的焊接稱為遠(yuǎn)程焊接。非結(jié)晶性硬質(zhì)塑料，如PVC、PS、ABS和PMMA等，通常對超聲波能量具有良好的透射率，高頻振動能經(jīng)過較長的距離傳輸?shù)浇涌趨^(qū)域，使材料發(fā)熱熔化，互相滲透而牢固結(jié)合，因此這些材料在近程或遠(yuǎn)程均具有良好的焊接性能。而半結(jié)晶性塑料具有較強(qiáng)的消聲作用，高頻振動在PA(尼龍)、PP（聚丙烯）、PE(聚乙烯)和POM(聚甲醛)等半結(jié)晶性塑料中傳輸時，超聲波能量衰減很快，因此半結(jié)晶性塑料只適合于近程焊接。彈性及軟質(zhì)塑料具有更強(qiáng)的吸聲作用，對它們進(jìn)行超聲波焊接不是很有效。
 
由于塑膠超聲波焊接應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)展，為了解決許多聲發(fā)射特性較差的材料的焊接問題，許多新型的振動模式得到了發(fā)展，如扭曲、橫向、縱向-橫向、扭曲-縱向、扭曲-橫向等振動模式。