熱塑性塑料的焊接(1)

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1、熱塑性塑膠的焊接熱塑性塑膠的焊接 通常認爲熱塑性焊接是不可逆的.少數工藝如感應焊接可生産可逆組裝件.至於選擇哪種方法應在製件沒計初作出,因爲焊接方法對製件設計的要求可能是 重要的,且不同焊接方法同差別顯蓍. 1. 超聲焊接 2. 振動焊接 3. 旋轉焊接 4. 熱板焊接 5. 感應焊接 6. 接觸(電阻)焊 7. 熱氣焊接 8. 擠出焊接 熱氣焊接技術通常用來焊接塑膠管,片或半成品製品而不是注塑成型製件. 但許多熱塑性模塑製件,特別是熱塑性汽車盤是用熱氣焊接技術修復的,另外熱氣焊接有時用來製備塑膠樣模製件. 超聲焊接超聲焊接 焊接熱塑性製件的最普通的方法是超聲焊接.這種方法是採用低振幅,高頻

2、率(超聲)振動能量使表面和分子摩擦産生焊接相連墊塑性製件所需的熱量.(正弦超聲振動) 超聲焊接在 20- 50kHz 的頻率範圍內發生,其一般振幅範圍爲 15- 60um.在低達 15kHz(較高振幅)的聲頻有時用於較大製件或較軟材料.焊接過程通常在 0.5- 1.5s 內發生.焊接工藝孌量包括焊接時間,焊頭位置和焊接壓力.超聲焊接設備通常用來焊接中,小尺寸的熱塑性塑膠製件,而很大的製件可用多點焊接. 超聲焊接方法可根據焊接時間或焊縫位置(塌陷距離)或焊接能量控制.也對焊接壓力和冷卻時間提供附加控制. 超聲焊接設備一般不是在 20kHz 就是在 40kHz 頻率下運行.20kHz 裝置更常用.

3、 接頭設計:第一類即最常用的接頭類型,在被連接表面的垂直方向上利用超聲振動.對接和 Z 形接合歸入這一類,適用於多數聚合物.第二類超聲焊接接頭包 括與接頭表面平行的振動,形成剪切狀態.各種類型的剪切和嵌接歸入第二類. 能量控制囂接點與無定形材料一起使用最佳,圖 1 所示較大的能量控制囂結 可在一些不密閉的半結晶材料中應用. PDF created with pdfFactory Pro trial version 對接接頭不良的對接接頭設計 焊接時間過長 焊接能量過大 擠出焊體導致外觀缺陷改出的對接接頭設計 焊接時間縮短 焊接能量減少 擠出的溢料(可見)帶有能量導向囂的 對接接頭附加的溢料收集

4、囂焊接面積減少 擠出熔體沒有形 成品外觀無缺陷Z形接頭改進的耐剪切性 有助部件定位 擠出熔體沒形成外觀缺陷典型的能量控制囂尺寸/mm無定形聚合物半結晶聚合物小部件 大部件小部件 大部件尺寸h 圖 1 無定形和半結晶聚合物所用的能量導向囂的近似尺寸 此圖所示的焊接接頭是對普通能量控制接頭設計的獨特的改進.下面式件用一個粗糙或有紋理的表面改進.將會提高 焊接質量,焊接強度和焊接完成的容易程度.其他許多有紋理的接頭外形也是可行. PDF created with pdfFactory Pro trial version 溢料問題可通過把溢料污染槽引入接關設計中而降低,爲安全,一般溢料槽設計至少 10

5、%的過度體積容量. 緊壓接頭:爲了使溢料形成的可能性最小,緊壓接頭設計的目的是阻擋熔體或將熔體保持在熔區內.緊壓接頭對半結晶的塑膠材料如尼龍是有用的.因爲 接關結構更複雜,緊壓接關所需的製件配合公差相對嚴格.與三角能量導向囂焊接相比,較大的接頭結構也需要附加振幅和焊接能量.典型的緊壓焊接幾何結構 如圖 2 所示. 15 錐度圖 2 典型的超聲緊壓焊接結構 製件找平 簡單對接沒有任何措施解決製件相互找平或對中.製件找平更 適於用模塑定位銷或雙頭螺完成.而 z 形接能自動找平,且在使用時耐拉伸且改進了搞剪切負荷性.並能消除外部溢料. 或0.20-0.64mm或0.20-0.64mm滑動間隙圖 3

6、超聲焊接工藝用的典型 z 開接頭設計 (a)焊接前的z接頭: (b)焊接後的z形接頭:(c)改進的 z形接頭:臺階附帶肩部掩蓋了不平性,結果使外觀改進 槽舌接合不但提供了剪切強度而且提供了拉伸強度.這種接合是自對中的,PDF created with pdfFactory Pro trial version 接合區域的壁厚必須相對大以適應槽舌接合設計.另外,製件公差要求相對嚴.間隔加強筋改善了接頭找平. 圖 4 超聲焊接工藝用的典型槽舌接合設計 剪切接頭 當焊接半結晶聚合物（或其他難以焊接的聚合物） 和需要密封 接頭號時，一般推薦使 用剪切接。需要高強度，高質量接碚的環形和矩形製件都用剪切接頭

7、。剪切接頭號具有搭接製件壁部分，當接頭被焊接和相互依次嵌入 時，搭接部分産生公差和局部剪切。爲了促進製件找平，接頭包含了調節部分。爲了集中熔融能量，一邊上的阻礙物的頂角在初始接觸面上降低。因爲融化材料 的溫度在整個接觸面上保持一致，製件被焊接時，兩表面熔融均勻。深度爲1.0- 2.0mm 的使用 0.13- 0.5mm 範圍內的公差值。爲了防止在焊接過程中由於公 差而産生的外部側壁翹曲，垂直的製件應盡可能淺，但在一邊用剪切製件改進的槽舌接頭可與較深的拉伸製件一起使用，提供中壁接頭，它使由於公差而産生的側壁翹曲最小。如圖 5 所示。 圖 5 典型的超聲焊接剪切接頭設 計和典型的中壁組裝剪切接 頭

8、設計 （a） 焊接前的部件； （b）焊接後的部件 1- 槽舌剪切接頭：有助於阻止部件向內彎曲；2- 支撐夾具：目的是在焊接過程中 阻止下面部件壁向外彎曲；3- 上面的部件；4- 下面的部件 斜坡接合 斜坡接合設計也可爲無定形和半結晶聚合物提供高強度密封公差焊接深度引入間隙243PDF created with pdfFactory Pro trial version 接頭。斜坡接合是自固定的且最適合小尺寸的圓形或橢圓形制件。斜坡接合的焊接能量要求很高。 圖 6 超聲焊執著用典型的斜坡接 合設計 （a） 斜坡接合； （b） 改進的斜坡接合（附 加公差） 1- 溢料槽；2-夾具 斜坡接合具有 30

9、- 60的角且應該在1內裝配。爲附加的熔區材料厚度增加 的 0.10- 0.25mm 的公差産生焊縫和溢料。當從功能或審美上不能接受溢料時，就 使用收集器。 帶嵌入密封裝置的焊接 用嵌入的彈性密封圈或韌性墊圈也可獲得可靠的密封。如圖 7 所示接頭製件裝有一個彈性環，以改善用超聲焊接接合可達到的 密封安全性，或在連續的周邊焊接不可能的情況下使用。 圖 7 超聲焊 接製件通常需要密封接頭 1- 能量導向器； 2- 彈性密封 電栓焊 超聲焊接設備也可生産電栓焊和銷套觸點焊接。 在不需要密封接 頭的應用中，銷套接頭可用來連接相同的塑膠材料。 銷/鉚徑向公差 (0.2-0.4mm)導入/定們孔 (0.4

10、-0.8mm) 銷末端或孔尖一般的超聲銷窩/鉚釘焊接接頭圖 8 超聲焊接設備可形成銷孔型剪切接頭 1-溢料收集器;2-焊接前;3-焊接後 *超聲鉚焊 超聲焊接的變異是超聲鉚焊.即把一個熱塑性製件固定在另一部件壁最小底層部件底層部件上層部件 上層部件PDF created with pdfFactory Pro trial version 個不同材料的製件上的方法.鉚釘或凸台在底部應該 有十分大的半徑或圓角,以防裂紋或熔融.爲了集中超聲能量，凸台的頂端應該設計成與焊頭的初始接觸最 小。凸台頂部可以是平的或圓錐形的，半結晶或填充的聚合物以圓錐形的較佳。超聲鉚焊的完整性取決於鉚釘和焊頭之間的精確容量

11、關係。 標準標樁圓頂標樁埋頭標樁空心標樁圖 9 超聲焊接設備可生産鉚焊或各種結構 1- 1.6mm的鉚釘；2-尖錐觸發熔融；3-14.0mm的鉚釘 標準鉚焊 直徑在 1.6- 4.0mm 這間的平頭鉚釘。 剛性和柔性的不耐磨熱塑 性塑膠推薦使用標準外形。 半球形鉚焊 直徑小於 1.6mm 的鉚釘建議用在半球形鉚焊上。對耐磨塑 膠是合適的。 溢流式鉚焊 溢流式鉚焊用在要求表面爲平的或隆起的及鎖信製件的厚度被允許使用的應用中。 空心鉚焊 直徑大於 4mm 的凸台或鉚釘去芯後可生盲孔凸台。 如圖 10 所示 當嚙合製件中不允許有通孔時，超聲焊接設備也能形成機械 互鎖。模制塑膠鉚釘（與用於鉚焊的類似）

12、和在嚙合製件中的盲倒角可形成以公差爲基礎（假設帶倒角的製件不融化）的真正的機械接合。 不同的材料機械互鎖完成的接合圖 10 用超聲焊接形成機械互鎖的示例 1-帶軟化和變形鉚釘的熱塑性部件；2-具有倒角的嚙合部件；3-超聲波焊頭 超聲焊接的材料因素 超聲焊接操作適合於多數熱塑性材料。 l 1無定形聚合物，特別是室溫下外於玻璃態的無定形物，通常是焊接PDF created with pdfFactory Pro trial version 工藝的好的候選材料。玻璃態無定形聚合物具有良好的透射性能，允許用看近場和遠場焊接技術成功焊接。當材料較軟時，開定形材料的超聲焊接就成問題。如：焊接高衝擊ps將比

13、焊接通用ps一般需要更 多能量和附加振幅。 l 2半結晶聚合物一般更難用超聲能量焊接.增加由焊接體系發射的能量值（即增加振幅） ；縮短焊頭/製件接觸面與接頭介面間的距離;使 用近場超聲焊接技術;使用振幅高達0.05- 0.15mm的焊頭.這些高焊接振幅需要使用鈦焊頭.當需要高強度、密封組裝時，剪切接頭和斜 坡接合對半結晶聚合物都適用。 l 3 焊接吸濕性聚合物：模塑後馬上焊接製件（在它們仍是乾燥時） ； 焊接前乾燥製件；焊接前把製件存放在乾燥器內。 振動焊接振動焊接 振動焊接是摩擦焊接過程， 其間被焊接的製件在壓力下磨擦到一起直到生成 的磨擦和剪切熱量使頭蚧面達到充分熔融狀態。 一旦熔融膜已經

14、形成滲入到足夠 深的遝接區域，相對運動停止，在壓力作用下焊縫冷卻並固化。 振動焊接適用幾乎所有的熱塑笥塑膠， 往復運動方向上具有允許的無約束運 動焊縫的製件，中型或大型製件。 振動焊接的材料因素與超聲焊接類似： 無定形材料比半結晶聚合物更適合採 用振動焊接的類似。 l 環形振動焊接 可連接焊區尺寸與焊區到旋轉軸的距離近似相等的 製件。 l 線性振動焊接 用在允許一個方向上線性振動的成套製件上。 接頭 當被連接的整個表面是平的或稍向平面外彎曲時， 對製件來說振動焊接工藝是最理想的。 壓 力相 對 的 水 平 運 動頻 率 120240H z. 振 幅 （ 0.84.0m m ）圖 11 振動焊接

15、用典型接頭設計 (a) 焊接前的標準對接接頭；(b) 焊接後的標準對接接頭； (c) 用溢料收集改進的對接接頭 1- 焊接設備溝槽；2- 單平面分型線；3- 焊接溢料；4- 帶溢料收集器的接合 PDF created with pdfFactory Pro trial version 旋轉焊接旋轉焊接 旋轉焊接用來連接具有旋轉對稱接合表面的製件，它屬磨擦焊接工藝。是連 接可大可小的圓柱形熱塑性塑膠製件的最有效的工藝。 用旋轉焊接技術組裝的製件常常具有與周邊垂直的連接板等特徵。它的生要加工變數是相對剪切速率、焊 接壓力和焊接時間。旋轉焊接的接頭強度取決於材料、接頭設計和所用的加工條件；多數熱塑性塑膠可達到強的氣密封接焊縫。旋轉焊接對透射性能不好的材料 特別合適。 像角撐扳之的 部件特征提供 了可靠的扭矩圖 12 旋轉焊接工藝用的典型的基本接頭結構 1- 對接接頭；2- 槽舌接合；3- 帶收集器的 T、G 接合 4- 斜坡接合；5- 剪切接合 電磁焊接電磁焊接 電磁焊接（電感焊接） 是利用能達到熔化溫度的電感能量連接熱塑性製件的方法 。 也被稱作特種插入焊接 ， 此間磁致旋光聚合插入物被一個高頻電磁場加熱 。 焊接材料一般是磁致旋光的填充聚合物， 它是由和製件材料相同的聚合物或相容的聚合物製造的。這種強磁性填充聚合物包括細分散的、微米尺寸的鐵粒 子、氧化鐵粒子