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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用。隨著(zhù)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


超聲波焊接機由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，壓力系統，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(cháng))×200mm(寬)。塑膠零件越大，需要焊接的面積和周長(cháng)就越大。過(guò)大的焊接面積往往導致超聲波功率不足，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焊接的影響分析塑膠材料的物理性能和機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)、導熱系數λ(W/mK)、摩擦系數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，取決于塑膠零件外形大小，壁厚，焊頭設計等參數。對于焊接強度性能要求高的產(chǎn)品，需要謹慎考慮塑膠材料，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。

塑膠原料的成分對焊接的影響分析塑膠原料主要成分由樹(shù)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，潤滑劑，抗沖擊劑，發(fā)泡劑，光擴散劑，著(zhù)色劑)等組成。塑膠原料生產(chǎn)廠(chǎng)家為了滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品性能，需要針對某些特殊要求進(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比例較大。通常填充料都是無(wú)機化學(xué)物，不會(huì )改變塑膠分子的排布結構。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到良好焊接效果。填充料比例過(guò)大時(shí)，焊縫的熔融樹(shù)脂就相對減少，焊接強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)行拉伸強度測試，數據如下表，聚丙烯加入碳酸鈣填料明顯提升了焊接強度。

添加劑在塑膠原料組成成分中占據比例較少，但添加劑對塑膠原料的改性性能起到非常重要在作用。增塑劑、潤滑劑、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)生強烈的吸熱反應，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定的泡沫覆蓋層和碳化物，這部分覆蓋層阻礙了熔融樹(shù)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氣體，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。大多數著(zhù)色劑并不抑制超聲波能量傳遞，但著(zhù)色劑一般都是無(wú)機化學(xué)物，具有不可焊接性，著(zhù)色劑混合于樹(shù)脂中，具有耐候性，著(zhù)色穩定，遇高溫不易分解等特性，著(zhù)色劑含量過(guò)高時(shí)，零件焊縫熔接樹(shù)脂就會(huì )不足。實(shí)驗證明，純原料超聲波焊接強度明顯優(yōu)于添加著(zhù)色劑塑料。

其他因素對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)量高穩定性好的零件。但是塑膠內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，還可能對某些塑膠發(fā)生水解反應降解塑膠，大大降低焊接強度并降低焊接質(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，以利于注塑零件脫出模具。不可避免的脫模劑會(huì )轉移到注塑的塑膠零件上。脫模劑耐熱性能良好，耐溫達300℃不發(fā)生碳化降解，性能穩定不與樹(shù)脂發(fā)生反應;具有潤滑性，轉移到焊縫面上會(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(shù)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)品難于檢測焊接質(zhì)量，所以為獲得高焊接強度和密封要求的合格產(chǎn)品，必須選擇合適的超聲焊接設備，合理的設計塑膠零件和焊接頭的結構，根據塑膠原料的物性表慎重的選擇塑膠原料的種類(lèi)，通過(guò)調整焊接設備的焊接工藝參數，掌握超聲波的焊接機理，更好地把這項工藝應用到塑膠產(chǎn)品上，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。