PET材質(zhì)無紡布超聲波焊接工藝研究

劉千伍，盧記軍

（武漢紡織大學(xué)，武漢430200）

1 無紡布材料及性能介紹

無紡布（Non-woven fabrics，即非織造布）是一種無須進行紡紗織布而成形的布狀材料。目前，針對無紡布超聲波焊接技術(shù)的大量研究主要集中在焊接過程、焊接工藝參數(shù)、焊接設(shè)備三個方面，研究的難點集中在對影響焊接質(zhì)量的各種因素的控制上。本課題通過大量實驗，總結(jié)出了以下幾點焊接材料和工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律：

1.1 焊接材料對焊接質(zhì)量的影響

理論上，可用超聲波焊接的塑料，均為熱塑性塑料[1]。按材料的焊接屬性，可將高分子材料分為：剛性材料，例如聚苯乙烯（PS），聚甲基丙烯酸甲酯（PM-MA），聚酰胺（PA），滌綸（PET）等；柔性材料；高分子薄膜、高分子合成纖維及纖維布。本課題采用的無紡布即為纖維布。

一般來說，塑料的超聲波焊接工藝的好壞與其影響因素的關(guān)系表現(xiàn)為[2]：

K：焊件形狀因子

E：彈性模量

μ：摩擦系數(shù)

λ：材料導(dǎo)熱率

ρ：材料密度

c：比熱容

t：熔點

上述參數(shù)與材料、溫度相關(guān)，作用于焊接過程中影響焊接區(qū)域的溫度、應(yīng)力、變形，直接影響焊接質(zhì)量。

焊接面到焊接頭的距離對焊接質(zhì)量也有較大影響。材料焊接面與焊接頭的距離為超聲波半波長時，焊點的強度最好。超聲波在塑料中主要以縱波的形式傳遞，最大波峰值出現(xiàn)在半波長處。當(dāng)焊接距離為半波長時，超聲波傳遞到焊接面的能量最多。

1.2 焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

塑料超聲波焊接的主要工藝參數(shù)包括：振幅、焊接時間、焊接壓力、保壓時間、焊點形狀。這些參數(shù)共同決定了焊點的質(zhì)量。

①振幅的影響：塑料的超聲波焊接中，振幅是首要的工藝參數(shù)。材料在對應(yīng)的超聲波頻率下都有較適宜的振幅范圍。

在合適的振幅范圍內(nèi)，振幅增大利于能量的擴散，從而提高焊點的強度。例如，當(dāng)Sancaktar在40-50μm的振幅范圍內(nèi)，PP材質(zhì)的焊點強度與振幅成正比。振幅對焊點質(zhì)量的影響，并不完全滿足上述規(guī)律。Benatar研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅在1-60μm時，非晶材料PS、ABS的焊點強度受振幅影響很小；當(dāng)振幅達到25μm后，半晶材料PE、PP的焊點強度隨振幅加大而加強，而當(dāng)振幅小于25μm時，則相反。

此外，塑料超聲波焊接所需振幅還與焊接形式和焊接設(shè)備的頻率有關(guān)。鉚接需要的振幅較大，平面焊接需要的振幅較小。本課題的研究屬于平面焊接，故只需較小的振幅。

②焊接時間的影響：如要得到高強度的焊點，必須選擇合適的焊接時間。本次實驗表明，在無紡布的超聲波焊接中，焊接時間對焊接質(zhì)量有重要影響：焊接時間不足，材料接觸面不能達到完全熔融態(tài)，材料不能融合；焊接時間過長，焊點發(fā)黑，出現(xiàn)過焊的情況，焊點與非焊點的交界線處，有切斷的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴重影響了整體的焊點強度，同時也是產(chǎn)品外觀不容許的。

③焊接壓力：在其他參數(shù)確定的情況下，較好質(zhì)量的焊點取決于焊接壓力的范圍。

焊接面的焊接壓力：

P2：無紡布的焊接壓力(MPa)

A2：焊點的焊接面積(mm2)

焊接壓力與供氣壓力的關(guān)系如圖1：

F：焊接力(N)

A：氣缸缸徑(本實驗裝置中采用雙桿氣缸A=8(mm))

η：氣缸效率(η=0.75)

P1：供氣壓力(MPa)

圖1 焊接壓力與供氣壓力的關(guān)系

焊接壓力對焊點質(zhì)量的影響較為復(fù)雜，實驗發(fā)現(xiàn)，焊接壓力對熔融區(qū)的厚度尺寸及熔融區(qū)焊接后材料的密度有較大影響：焊接壓力較小時，熔融區(qū)熱塑后的材料蓬松，有明顯的纖維狀，焊點強度較低；焊接壓力過大時，熔融區(qū)厚度尺寸很小，焊點過燒，有燒穿的現(xiàn)象，此種焊點無連接強度。

實驗證明：焊接總厚度為3.5-5mm的兩層PET無紡布時，當(dāng)焊接厚度為1.5-2.5mm時，焊點呈白色，與無紡布顏色一致，半透明狀，焊接區(qū)域無纖維狀，此時焊點連接強度最高，焊點外觀最好，此種焊點可達到焊接的工藝要求及外觀要求。

④保壓時間、保壓壓力對焊點的影響：超聲波停止后，焊接區(qū)域由熔融態(tài)開始固化，為使焊件能夠很好的連接在一起，固化過程中需要保持一定的壓力。所需的壓力即為保壓壓力，時間即為保壓時間。本課題研究的無紡布的超聲波焊接，由于焊點體積小，固化速度快，保壓壓力、保壓時間對焊點質(zhì)量影響可忽略。

⑤焊點形狀對焊接質(zhì)量的影響：圖2為M公司要求的焊點的尺寸形狀，陰影部分表示焊接區(qū)域：

圖2 M公司要求的焊點形狀

據(jù)圖2，M公司要求的焊點形狀為圓形，焊點的尺寸為φ6。

實際上，焊點對無紡布起到連接作用的是焊接的外輪廓，也就是外圓的周長，實際周長18.8mm，實驗中發(fā)現(xiàn)，此形狀焊點只能在焊接條件很理想的情況下才能達到焊點的強度要求。如焊接條件稍有偏差，就會出現(xiàn)焊點強度不足的情況，整體焊點強度的達標(biāo)率較低。

經(jīng)反復(fù)實驗，在不改變焊接外形及尺寸的情況下，優(yōu)化焊點如圖3的形狀：

圖3 新焊點形狀

上圖優(yōu)化后的焊點，焊點外形及尺寸保持不變，但實際的連接長度32.4mm，

在正常的焊接參數(shù)情況下，可達到95%的焊點達標(biāo)率。

2 試驗

2.1 試驗裝置

為研究得到合適的焊接參數(shù)，本課題專門設(shè)計制造了一套如圖4的新焊接實驗裝置，后文中的所有參數(shù)均在此裝置上取得。

圖4 新焊接實驗裝置

該裝置中：

機架：鍍鋅方管焊接成型，剛度好，實驗中的變形可忽略不計；

動力源：亞德客整套氣動源系統(tǒng)，配備精確的調(diào)壓閥和數(shù)顯壓力表，壓力可控制在0.01MPa內(nèi)；

氣缸：亞德客TN16-50S，氣缸效率η=0.75；

焊接桿：套筒式可拆卸結(jié)構(gòu)，方便測試不同形狀及規(guī)格的焊點；

超聲波設(shè)備：杭州某公司的超聲波發(fā)生器組件，工作頻率20kHz，振幅 27-35μm。

實驗參考塑料超聲波焊接的基本原理，從M公司生產(chǎn)過程中焊接的實際情況出發(fā)，重點測試焊接壓力與焊接時間。實際應(yīng)用中，焊接時間較為重要，它直接影響整個焊接工序的時間，進而影響整個設(shè)備的產(chǎn)能，而焊接壓力是一個可調(diào)節(jié)量。不同材質(zhì)、不同厚度的無紡布，都可以通過改變焊接壓力來改變焊點的質(zhì)量及效果。

圖5 焊接壓力與焊點關(guān)系

2.2 試驗結(jié)果

本課題中，為測試焊接壓力與焊點強度的關(guān)系，共進行了4組實驗，取得4組數(shù)據(jù)，其焊接時間分別為0.3s，0.5s，0.7s，0.9s，其相應(yīng)的焊接壓力與焊點強度關(guān)系如圖5所示。

2.3 焊接試樣對比說明

M公司依據(jù)其標(biāo)準，對實驗的焊接品質(zhì)判定如下：

圖6 實驗的焊接品質(zhì)圖

圖中左起依次為：過焊焊點、合格焊點、焊接強度不足焊點

據(jù)M公司要求，焊接效果與單焊點之間的拉力不小于23N。

分析實驗數(shù)據(jù)可知：焊接時間為0.7s時，可實現(xiàn)較大的焊接達標(biāo)區(qū)域。后續(xù)研究將以此數(shù)據(jù)選擇焊接時間與焊接壓力。

圖7為整機調(diào)試生產(chǎn)的樣品，調(diào)試生產(chǎn)用的焊接參數(shù)為：焊接時間0.7s，焊接壓力：0.85MPa。該樣品在焊接強度、焊點間距、產(chǎn)品外觀，均得到M公司的認可。其生產(chǎn)效率及良品率，均已接近M公司的要求。后續(xù)的工作將是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，操作方便性的改進。

圖7 生產(chǎn)成品圖