塑料超聲波焊接技術(shù)的研究分析

張想，譚偉超，石紹偉

(江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529030)

0 前言

機(jī)械制造業(yè)在許多國家特別是發(fā)達(dá)國家的國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，隨著中國制造2025的不斷推進(jìn)，社會(huì)對(duì)機(jī)械制造提出了新要求：安全、節(jié)能、環(huán)保?！耙运艽摗敝饾u成為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，塑料在結(jié)構(gòu)材料中所占比例逐年增加。特別是在汽車行業(yè)中，無論是內(nèi)飾、外飾還是功能件，塑料是應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)材料[1]。目前使用量最大的塑料有PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PA（尼龍）和PE（聚乙烯）。隨著現(xiàn)代化塑料工業(yè)的發(fā)展，高性能的工程塑料也越來越多的在機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用。

然而，由于注塑工藝等因素的限制，一些復(fù)雜形狀的制品不能直接注塑成型，需要黏結(jié)在一起，而傳統(tǒng)的塑料黏結(jié)和熱和工藝不僅效率低，而且黏結(jié)劑還有一定的毒性。于是，塑料超聲波焊接以高效、優(yōu)質(zhì)、美觀、節(jié)能等優(yōu)越性脫穎而出。

1 塑料超聲波焊接原理

塑料超聲波焊接原理如圖1所示[2]，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，傳遞至換能器，換能器將電振動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)傳遞至變幅器，將振動(dòng)振幅放大，傳遞至焊頭，最終高頻振動(dòng)波由焊頭傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面。同時(shí)壓力機(jī)提供垂直振動(dòng)單元工作過程的壓力，在加壓情況下，兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子之間的熔合。塑料超聲波焊接時(shí)一種通過超聲振動(dòng)的焊接頭將能量聚焦在焊接件，使得接觸面分子在熱力耦合作用下快速融合的固接方法[3]，與傳統(tǒng)固接方式相比，采用超聲波焊接，焊接時(shí)間短、焊接強(qiáng)度高、表面無損壞、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于同種材料或不同材料之間的連接。

圖1 超聲波焊接原理

雖然塑料超聲波焊接有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際焊接工作中，影響焊接效果的工藝參數(shù)因素較多，比如振幅、焊接時(shí)間、焊接壓力、工件材料等等，而且相關(guān)研究總結(jié)較少。這使得焊接缺陷經(jīng)常出現(xiàn)，也因此限制了塑料超聲波焊接的廣泛應(yīng)用。

2 塑料超聲波焊接的影響因素分析

2.1 材料對(duì)超聲波焊接的影響

塑料超聲波焊接的可焊性取決于公式（1）[4]：

其中：k為焊件的形狀因子，E為材料彈性模量，μ為材料摩擦系數(shù)，λ為材料熱導(dǎo)率，ρ為材料密度，c為材料的比熱容，t為材料的熔點(diǎn)。

從以上公式可以看出，塑料超聲波的焊接質(zhì)量與材料彈性模量、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率成正比，與材料密度、熔點(diǎn)、比熱容成反比。材料對(duì)焊接質(zhì)量的影響非常大，在焊接之前，必須對(duì)焊件材料是否支持焊接進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2.1.1 材料種類對(duì)超聲波焊接的影響

圖2給出了常見熱熔性塑料的相熔性數(shù)據(jù)。結(jié)合圖2可以看出，并非所有的塑膠材料都可以用超聲波進(jìn)行焊接。同種材料可以很好的焊接在一起，但是不同種類的塑料之間焊接質(zhì)量相差很大，總體來說，結(jié)構(gòu)成分越相近，焊接的效果越好。

圖2 常見塑料超聲波焊接相熔性

2.1.2 材料改性對(duì)超聲波焊接的影響

由于塑料本身強(qiáng)度、韌性等性能不高，為了提高性能常常在原料里添加纖維等添加劑。塑料材料的改性會(huì)影響超聲波焊接質(zhì)量，纖維等添加劑的加入可以提高材料間的硬度，有利于超聲波的傳遞。因此，在合適的條件下，添加劑的加入可以提高焊接的強(qiáng)度。

2.1.3 材料表面粗糙度對(duì)超聲波焊接的影響

增加焊件表面的粗糙度值，可以降低聲阻抗，提高超聲波焊接質(zhì)量。研究表明，采用滾制花紋的膜材料比光滑表面的PP膜，焊接后強(qiáng)度可以提高近一倍。

2.1.4 材料濕度對(duì)超聲波焊接的影響

在南劍等[5]的研究中，使用6組不同的濕度對(duì)PA6進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著材料濕度增大，所需的焊接時(shí)間不斷增加，當(dāng)濕度高于3.4%時(shí)，所需焊接時(shí)間雖有所下降，但依然維持較高水平。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接作業(yè)前要將焊件的濕度控制在較低的水平。特別是對(duì)于有吸水特性的材料，比如尼龍、聚砜等，注塑成型后應(yīng)立即安排進(jìn)行超聲波焊接；若不能及時(shí)進(jìn)行焊接作業(yè)，則應(yīng)將待焊件放在密封環(huán)境里或者在超聲波焊接前將塑件烘干。

2.2 熔接能量對(duì)超聲波焊接的影響

焊接作業(yè)時(shí)，超聲波作用于焊接件的接觸面，產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻震動(dòng)，達(dá)到一定振幅時(shí)，通過上焊件把超聲能量傳送到焊接區(qū)域，由于兩個(gè)焊接交界面處聲阻大，故會(huì)產(chǎn)生局部高溫，而塑料的導(dǎo)熱性差，因此熱量聚集在焊接區(qū)域使得焊件的接觸面迅速熔化，在一定壓力作用下，焊件融合在一起。超聲停止作用后，繼續(xù)保壓一定時(shí)間，使其凝固成型，形成了一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，從而達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度 接近原材料。可以看出，熔接能量過大，塑料熔解性大，焊接物易變形，若熔接能量過小，則不易焊牢，因此熔接能量需要有一個(gè)適宜值。

式（2）給出了熔接能量計(jì)算公式，式（3）給出了功率計(jì)算公式，其中：力由氣壓和下降速度決定，速率由頻率和振幅決定。氣壓由調(diào)壓閥來調(diào)整，下降速度由速度旋鈕調(diào)節(jié)，超聲波焊接機(jī)一般都有固定的頻率，振幅可以通過調(diào)幅器和焊頭來調(diào)整。時(shí)間表示焊接機(jī)的焊接時(shí)間。此外，焊接結(jié)束后的保壓時(shí)間同樣影響焊接質(zhì)量。以上幾個(gè)參數(shù)相互作用得到所需的熔接能量。因此，在超聲波焊接作業(yè)前，需要根據(jù)所選擇的焊件材料，合理調(diào)整焊接機(jī)的工藝參數(shù)，見圖3，得到合適的熔接能量，完成焊接作業(yè)。當(dāng)首次焊接，不清楚各個(gè)參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響時(shí)，需多次試驗(yàn)調(diào)整，最終找到適宜值。

圖3 超聲波焊接機(jī)參數(shù)調(diào)整

3 前景展望

塑料超聲波焊接技術(shù)幾乎克服了傳統(tǒng)固接方式的弊端，具有極好的應(yīng)用前景。但是由于影響超聲波焊接質(zhì)量的因素較多，對(duì)焊接機(jī)理的研究相對(duì)不足，這就制約了塑料超聲波焊接技術(shù)的推廣與應(yīng)用。未來應(yīng)該加強(qiáng)以下2方面的研究：

（1）研究焊接區(qū)域的狀態(tài)，包括熔融區(qū)結(jié)晶度、取向程度、化學(xué)組分等，深入研究超聲波焊接機(jī)理。

（2）建立焊接設(shè)備、工藝參數(shù)、常用材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系規(guī)律，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。