超聲波塑料焊接

2021-07-22 10:17

頻率高於20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波焊接技術是功率超聲的重要分支。與其它連接封合技術相比,超聲波塑料焊接具有以下優勢:

(1）焊接時間短,效率高。一般超聲波焊接過程在數秒內可完成,適用於大批量生產。
(2）局部產熱,無需外部熱源。該方法中,超聲振動的機械能在設計的焊接區直接轉變為熱能,熱影響區小,能夠減小整體變形和殘餘應力。
(3）適用的材料範圍廣。幾乎對所有的熱塑性聚合物和部分半結晶聚合物都適用。
(4）無需焊料等中間介質。超聲波塑料焊接靠器件自身材料的熔融實現連接,焊接過程中不引入外來物質,這對材料有嚴格要求的應用是非常有用的。

圖1是典型的超聲波焊接設備結構組成,由電路係統、機械裝置以及聲學係統組成。

圖一超聲波焊接設備

電路係統包括信號發生器和機械裝置控製係統。信號發生器將輸入的交流電信號轉換成超聲頻率的電信號。機械裝置的控製係統用來控製焊接過程中各部件的運動狀態。

機械裝置包括支架、機座、調平等焊接輔助設備、能夠帶動聲學係統運動的機械裝置等。

聲學係統是超聲波焊機的核心部分,它主要包括換能器、變幅杆以及工具頭三部分。其中換能器是將電路係統中輸人的電信號通過壓電﹑磁致振動等原理轉化成超聲頻率的機械振動信號。一般換能器直接輸出的超聲振動幅值較小,當振動信號通過一個專門設計的變幅杆之後,振動信號會被放大。工具頭的作用是將超聲波振動傳導到焊接工件中,要求焊接過程中工具頭要與焊件接觸良好。

圖二超聲波聚合物焊接原理

如圖2所示,超聲波焊接通過導能筋的引導作用使能量在特定區域集中，導能筋熔融後實現器件的局部連接,而通過超聲波產生熱量的機理目前還沒有一致的觀點。目前,關於超聲波聚合物焊接的產熱內在機理主要有以下觀點。

1) 高頻摩擦熔焊
待焊接件的表麵在壓力作用下被緊密貼合,當超聲振動傳遞到待焊的聚合物器件表麵時,質點會被超聲波激發而快速振動,接觸表麵因振動而產生摩擦,因摩擦使焊接麵的溫度升高,直至達到材料的熔融實現熔融連接目的。非焊接麵不產生摩擦,因此溫度不會升高,焊接過程中也不會受到損壞。

2）應力應變的儲能及轉換機理
對於聚合物這類黏彈性體來說,超聲波在聚合物體中傳播產生機械功,機械功的表現方式是聚合物質點因振動引起的連續交替的受壓和解壓。交變應力施加到材料上時,材料的力加載和卸載曲線不能完全重合而形成封閉環路,環路所包圍的麵積代表材料內所積聚的能量,這是分子的黏滯效應所致,持續的高頻交變應力荷載使材料溫度迅速升高,在聚合物超聲波焊接過程中,產生的熱量直接影響焊接界麵的溫度,影響連接麵的熔化行為。

3) 聚合物摩擦熱和黏彈熱複合產熱機理
張宗波等通過理論分析和實驗驗證,提出超聲波作用下聚合物摩擦熱和黏彈熱複合產熱機理的觀點,認為摩擦熱是該過程的啟動熱源,而黏彈熱是聚合物發生熔融的主要熱源。

超聲波塑料焊接工藝操作簡單、安全可靠，焊接速度快，降低了產品成本，提高了經濟效益。同時還可以選用鉚接、埋植、切割、成型、封口等方式進行焊接，焊接形式多樣，能滿足不同場合的要求。超聲波塑料焊接的突出優點正好克服了傳統塑料連接的缺點，並且能夠實現產品的大規模大批量生產，自動化控製。

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