塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
01 金屬的焊接
焊接：是通過加熱或加壓，或兩者同時并用，并且用或不用填充材料，使兩個分離的物體産生原子間結合力而連接成一體的技術。
焊接的分類有很多種，如下圖：
傳統意義上的焊接通常是指金屬的焊接。金屬焊接方法有40種以上，如果根據焊接過程進行分類，主要分為熔焊、壓焊和釺焊三大類。
1、熔焊，是在焊接過程中将工件接口加熱至熔化狀态，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源将待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池随熱源向前移動，冷卻後形成連續焊縫而将兩工件連接成為一體。
2、壓焊，是在加壓條件下，使兩工件在固态下實現原子間結合，又稱固态焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀态時，在軸向壓力作用下連接成為一體。
3、釺焊，是使用比工件熔點低的金屬材料作釺料，将工件和釺料加熱到高于釺料熔點、低于工件熔點的溫度，利用液态釺料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現原子間的相互擴散，從而實現焊接的方法。
圖：焊接的分類
02 塑膠的焊接
實際上，不止金屬可以焊接，塑膠也可以焊接，塑膠焊接的關鍵步驟就是首先需要把塑膠材料軟化，根據軟化的方式的不同，塑料焊接方法可分為通過外加熱源軟化、機械運動軟化、電磁作用軟化三種。
1、外加熱源采用外加熱源方式軟化的焊接技術：熱闆焊接、熱風焊接、熱棒和脈沖焊接；
2、機械運動采用機械運動方式軟化的的焊接技術：摩擦焊接、超聲波焊接；
3、電磁作用采用電磁效應作用軟化的焊接技術：高頻焊接、紅外線焊接、激光焊接；
以上三種軟化方式雖然具體的形式不一樣，但是本質是一樣的，就是通過加速塑膠内部分子的無規則運動，從而産生熱量而使得塑膠得到軟化。
以上塑膠焊接的方法中，應用最多的是超聲波焊接，這是因為其有非常高的焊接效率，超聲波焊接的整個過程在短短幾秒完成，與其他焊接方式相比，無需事先加熱工具，也無需長時間等待接頭固化或幹燥。
03 超聲波焊接的原理
超聲波：是指頻率超過人耳聽覺範圍上限（）的聲波。由于其頻率高，因而具有許多特點：首先是功率大，其能量比一般聲波大得多，因而可以用來切削、焊接、鑽孔等。
圖：超聲波的頻率範圍
超聲波焊接所用的設備是超聲波焊接機，其結構組成如下圖：
圖：超聲波焊接機的組成
塑膠超聲波焊接的過程：
首先，超聲波發生器将50 Hz或60 Hz電能轉換成 20~40 kHz的電能，被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械振動，由于此時的機械振動不會産生足夠的振動能量來使得塑膠件的焊接部位産生熱量融化，随後機械振動再通過一套可以改變振幅的變幅器，機械振動的振幅被放大并傳遞到焊頭。
圖：超聲波焊接機的結構簡圖
然後，焊頭将接收到的高頻振動傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區域即兩個焊接的交界面處由于振動引起摩擦，因此會産生局部高溫，由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，當溫度達到此塑膠件本身的熔點時，兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力後，熔化的塑膠填充于接口間的空隙，使其融合成一體。當超聲波停止作用後，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鍊，形成牢固的結合。
圖：塑膠焊接結合的過程
超聲波焊接的優缺點：
在實際應用中使用超聲波焊接工藝有幾個吸引人的好處；但是，在使用超聲波焊接工藝之前必須了解這項技術的優缺點。
1、優點：
1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在幾秒之内完成；2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時省去了大量夾具、粘合劑或者機械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經濟的塑膠件裝配方式；3)強度高。超聲波焊接幾乎可以達到塑膠件本體強度的80%以上，在一些應用上甚至可以與注塑成型相媲美；4）不改變塑料狀态，超聲波塑料焊接是一種固态工藝，可以通過精确控制，振動産生的高溫隻會熔化塑膠而不會過度加熱導緻降解，停止工作後會迅速冷卻固化，有助于保持塑料在連接前表現出的原始材料特性。5)合理的塑膠件結構設計可以使得超聲波焊接達到一定程度的水密或氣密效果；6)表面質量好，焊點美觀，可以實現無縫焊接；7)工序簡潔，操作簡單，可以實現自動化焊接；8)品質穩定，産品質量穩定可靠，焊接故障率低，适宜大批量生産；9)超聲波焊接過程清潔，無需其他粘合劑，能源和材料效率高。
2、缺點：
1）超聲波焊接機的初始投資相對昂貴；2）超聲波塑料焊機需要定制焊頭以及工裝，适應性差；3）零件大小和形狀的限制，中小型的塑膠件适合超聲波焊接，常用的超聲波焊接機有尺寸限制（通常長度4）超聲波焊接是不可拆卸性連接，無法像螺絲卡扣等連接方式一樣進行反複拆卸。一旦兩個零件過超聲波焊接裝配成一體，之後如果發現産品存在質量問題，那麼也無法進行返工。5）超聲波焊接會産生振動，振動會對塑膠某些應力集中部位産生不利影響（開裂），同時振動也可能會對内部裝配的電子元器件産生一定程度的傷害。6）超聲波焊接對塑膠材料有一定的局限性，
超聲波焊接并不能夠焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超聲波焊接一般僅适合于—種或者相似塑料之間的焊接。那些材料适合超聲波焊接？
熱塑性塑料是超聲波焊接的理想材料，因為這種材料在高溫下不會形成不可恢複的分子聯結鍵，可以在重新加熱後重塑，熱塑性塑料還包括兩種類型：非結晶塑料和半結晶塑料，非結晶聚合物的分子排列是随機的，沒有确定的熔點，非結晶聚合物具有高效的能量傳遞，因此隻需少量能量即可熔化，半結晶聚合物的分子排列非常有序，具有重複的結構特性，有一個非常确定的熔點，半結晶聚合物熔化需要高溫，吸收大量熱量，比半結晶聚合物焊接困難。
衡量不同熱塑性材料的可焊性需要考慮 Tg、化學相容性和熔體流動指數 (MFI)。
a）通常，兩種不同塑料的 Tg 應在 6℃ 以内，它們在超聲波振動下受熱熔化的時間差不大，可焊性高。
b）化學相容性是一個複雜的話題，歸結為聚合物中自由基的比例。當兩種材料中的這些值相似時，就存在兼容性。簡單可以理解為不同塑料混合加工時候的性能，相容性好的，不同塑料就會熔在一起，同時會産生分析鍵，反之就會分離。例如，雖然聚乙烯和聚丙烯看起來非常相似，但它們在化學上不相容，不能焊接在一起，ABS 到 ABS 零件會兼容，ABS 和亞克力零件通常是兼容的，等等。
c）熔體流動指數是衡量塑料在轉變為液态時流動的難易程度，為獲得最佳效果，待焊接的塑料應具有相似的 MFI。
綜合以上3個因素考慮，各塑膠材料之間的超聲波可焊接性如下圖：
注意：綠色表示可焊性好；橙色表示可焊性一般；白色表示難焊或不可焊
以上未完待續。。。
最新文章
-
一味中成藥，治眩暈，止頭痛，腰痛，肌肉痛，手足麻木，甚至中風
6小時前 -
蜂王漿蜂王漿的作用與功效、副作用，蜂王漿的吃法
7小時前 -
治療功能性子宮出血驗方崩漏秘方血崩漏下特效方
7小時前 -
北京晚報《生活中來》偏方集（二十二）
7小時前 -
三個月白發變黑發的簡單秘方
7小時前 -
張仲景的7個降糖“特效方”，治糖尿病效果顯著！
8小時前 -
膻中開合功（心血管）
8小時前 -
心法:去下焦實之寒實篇
8小時前
熱門文章
-
重新命名後的高速公路 怎麼命名編号的
6天前 -
以神煞“真驿馬”速斷遠行年份
1周前 -
六爻預測367講：想辭職辭不掉，反反複複原來是個原因
7天前 -
中醫五行與性格：土性人③鄒一針- 簡書
7天前 -
股市尋寶圖（隻鐵）
5天前 -
[轉載]師斷命秘訣集錦
6天前 -
超短線成功秘笈
5天前 -
這篇《退休書》一夜間火了
7天前
有話要說...