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影響塑膠超聲波焊接質(zhì)量的工藝因素分析

2022-02-22 14:41
近年來(lái)，超聲波焊接工藝以焊接速度快、能耗低、焊縫一致性好等優(yōu)點(diǎn)，在塑膠產(chǎn)品的焊接上得到了廣泛的應(yīng)用。隨著塑膠原料改性技術(shù)的快速發(fā)展，塑膠原料的品種繁多，影響其超聲波焊接的因素也變得越來(lái)越多。

塑料超聲波焊接機(jī)


超聲波焊接機(jī)由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，壓力系統(tǒng)，焊頭，零件工裝夾具等組成?；谀壳暗募夹g(shù)水平，超聲波發(fā)生器最大功率為5．6KW，塑膠零件焊接面積約為200mm(長(zhǎng))×200mm(寬)。塑膠零件越大，需要焊接的面積和周長(zhǎng)就越大。過(guò)大的焊接面積往往導(dǎo)致超聲波功率不足，影響焊接性能，如何提升焊接功率是關(guān)鍵因素。

塑膠材料焊接特性對(duì)焊接的影響分析塑膠材料的物理性能和機(jī)械性能決定了塑膠零件的超聲波焊接可行性和焊接質(zhì)量。實(shí)踐證明，塑膠材料的超聲波焊接性G與彈性模量E(GN/m2)、導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/mK)、摩擦系數(shù)μ成正比，與密度ρ(kg/m3)、比熱容C(J/kgK)、熔點(diǎn)t(K)成反比，如公式(1)。
G=K·E·λ·μ/(ρ·C·t)(1)
K表示塑膠材料焊接系數(shù)，取決于塑膠零件外形大小，壁厚，焊頭設(shè)計(jì)等參數(shù)。對(duì)于焊接強(qiáng)度性能要求高的產(chǎn)品，需要謹(jǐn)慎考慮塑膠材料，盡量從塑膠材料物性表上篩選具有良好焊接性能的材料，以提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量及合格率。

塑膠原料的成分對(duì)焊接的影響分析塑膠原料主要成分由樹脂、填充料(碳酸鈣，玻璃，氫氧化鋁等，玻璃纖維，云母等)和添加劑(阻燃劑，增塑劑，潤(rùn)滑劑，抗沖擊劑，發(fā)泡劑，光擴(kuò)散劑，著色劑)等組成。塑膠原料生產(chǎn)廠家為了滿足不同的產(chǎn)品性能，需要針對(duì)某些特殊要求進(jìn)行改性處理。改性塑膠提升了塑膠原料的特定性能，而對(duì)超聲波焊接工藝也存在很大的影響。

填充料在塑膠組成成分中占據(jù)比例較大。通常填充料都是無(wú)機(jī)化學(xué)物，不會(huì)改變塑膠分子的排布結(jié)構(gòu)。填充材料剛性大有利于超聲波振動(dòng)能量的傳遞，在焊接面產(chǎn)生更大的摩擦和熱量;相反，剛性不足的填充料會(huì)抑制振動(dòng)能量的傳遞，超聲波工藝需要更大的功率和振幅才能達(dá)到良好焊接效果。填充料比例過(guò)大時(shí)，焊縫的熔融樹脂就相對(duì)減少，焊接強(qiáng)度及密封可靠性就就降低。聚丙烯和聚丙烯+15%碳酸鈣于相同的超聲波工藝條件下焊接，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，數(shù)據(jù)如下表，聚丙烯加入碳酸鈣填料明顯提升了焊接強(qiáng)度。

添加劑在塑膠原料組成成分中占據(jù)比例較少，但添加劑對(duì)塑膠原料的改性性能起到非常重要在作用。增塑劑、潤(rùn)滑劑、抗沖擊劑和發(fā)泡劑主要是增加塑膠零件成型時(shí)的柔軟性能和成型性，致使材料硬度和剛性降低，大大抑制塑料分子摩擦發(fā)熱并吸收了超聲波振動(dòng)能量的傳遞。因而在這些柔性的添加劑作用下，往往造成焊接困難。當(dāng)產(chǎn)品有阻燃特性要求時(shí)，塑膠原料通過(guò)添加阻燃劑來(lái)降低材料燃燒性能，阻燃劑在高溫作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，吸收超聲波振動(dòng)的部分熱量;同時(shí)，阻燃劑在高溫下形成玻璃狀或穩(wěn)定的泡沫覆蓋層和碳化物，這部分覆蓋層阻礙了熔融樹脂的熔接;而且阻燃劑在高溫作用下，會(huì)不斷的分解出不可燃?xì)怏w，致使焊縫中存在微量殘余氣體，影響產(chǎn)品的超聲焊接質(zhì)量。大多數(shù)著色劑并不抑制超聲波能量傳遞，但著色劑一般都是無(wú)機(jī)化學(xué)物，具有不可焊接性，著色劑混合于樹脂中，具有耐候性，著色穩(wěn)定，遇高溫不易分解等特性，著色劑含量過(guò)高時(shí)，零件焊縫熔接樹脂就會(huì)不足。實(shí)驗(yàn)證明，純?cè)铣暡ê附訌?qiáng)度明顯優(yōu)于添加著色劑塑料。

其他因素對(duì)塑膠材料超聲波焊接性的影響:
(1) 水分。塑膠材料中存在一定含量的水分。塑膠零件在注塑前一般進(jìn)行高溫干燥處理，以便更好的去除水分進(jìn)行注塑成型，得到質(zhì)量高穩(wěn)定性好的零件。但是塑膠內(nèi)部的水分不可能全部去除，在超聲波焊接時(shí)，水分遇高溫汽化，在焊縫處會(huì)留下殘余水汽形成氣孔，還可能對(duì)某些塑膠發(fā)生水解反應(yīng)降解塑膠，大大降低焊接強(qiáng)度并降低焊接質(zhì)量。因此，需要超聲波焊接的零件，在注塑時(shí)需要盡量的做去除水分的處理。
(2)脫模劑。脫模劑常用于噴涂在模具模腔內(nèi)，以利于注塑零件脫出模具。不可避免的脫模劑會(huì)轉(zhuǎn)移到注塑的塑膠零件上。脫模劑耐熱性能良好，耐溫達(dá)300℃不發(fā)生碳化降解，性能穩(wěn)定不與樹脂發(fā)生反應(yīng);具有潤(rùn)滑性，轉(zhuǎn)移到焊縫面上會(huì)減少摩擦，抑制了振動(dòng)摩擦發(fā)熱量;脫模劑在零件表面形成均勻薄膜阻礙樹脂的熔接。為了獲得良好的焊接性能，在超聲焊接前，必須清洗去除零件焊接面處的脫模劑。

由于超聲波焊接的影響因素復(fù)雜多樣，而且超聲波本身焊接時(shí)間短，焊接后產(chǎn)品難于檢測(cè)焊接質(zhì)量，所以為獲得高焊接強(qiáng)度和密封要求的合格產(chǎn)品，必須選擇合適的超聲焊接設(shè)備，合理的設(shè)計(jì)塑膠零件和焊接頭的結(jié)構(gòu)，根據(jù)塑膠原料的物性表慎重的選擇塑膠原料的種類，通過(guò)調(diào)整焊接設(shè)備的焊接工藝參數(shù)，掌握超聲波的焊接機(jī)理，更好地把這項(xiàng)工藝應(yīng)用到塑膠產(chǎn)品上，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。