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影响塑胶超声波焊接质量的工艺因素分析

2021-02-22 14:41
近年来,超声波焊接工艺以焊接速度快、能耗低、焊缝一致性好等优点,在塑胶产品的焊接上得到了广泛的应用。随着塑胶原料改性技术的快速发展,塑胶原料的品种繁多,影响其超声波焊接的因素也变得越来𝐆越多。

塑料超声波焊接机


超声波焊接机由超声波发生器,换能器,变幅杆,压力系统,焊头,零件工装夹具等组成。基于目前的技术水平,超声波发生器最大功率为5.6KW,塑胶零件焊接面积约为200mm(长)×200mm(宽)。塑胶零件越大,需要焊接的面积和周长就越大。过大的焊接面积往往导致超声波功率不足,影响焊接性能,如何提升焊接功率是关键因素。

塑胶材料焊接特性对焊接的影响分析塑胶材料的物理性能和机械性能决定了塑胶零件的超声波焊接可行性和焊接质量。实践证明,塑胶材料的超声波焊接性G与弹性模量E(GN/m2)、导热系数λ(W/mK)、摩擦系数μ成正比,与密度ρ(kg/m3)、比热容C(J/kgK)、熔点t(K)成反比,如公式(1)。
G=K·E·λ·μ/(ρ·C·t)(1)
K表示塑胶材料焊接系数,取决于塑胶零件外形大小,壁厚,焊头设计等参数。对于焊接强度性能要求高的产品,需要谨慎考虑塑胶材料,尽量从塑胶材料物性表上筛选具有良好焊接性能的材料,以提高产品焊接质量及合格率。

塑胶原料的成分对焊接的影响分析塑胶原料主要成分由树脂、填充料(碳酸钙,玻璃,氢氧化铝等,玻璃纤维,云母等)和添加剂(阻燃剂,增塑剂,润滑剂,抗冲击剂,发泡剂,光扩散剂,着色剂)等组成。塑胶原料生产外围滚球APP为了满足不同的产品性能,需要针对某些特殊要求进行改性处理。改性塑胶提升了塑胶原料的特定性能,而对超声波焊接工艺也存在很大的影响。

填充料在塑胶组成成分中占据比例较大。通常填充料都是无机化学物,不会改变塑胶分子的排布结构。填充材料刚性大有利于超声波振动能量的传递,在焊接面产生更大的摩擦和热量;相反,刚性不足的填充料会抑制振动能量的传递,超声波工艺需要更大的功率和振幅才能达到良好焊接效果。填充料比例过大时,焊缝的熔融树脂就相对减少,焊接强度及密封可靠性就就降低。聚丙烯和聚丙烯+15%碳酸钙于相同的超声波工艺条件下焊接,进行拉伸强度测试,数据如下表,聚丙烯加入碳酸钙填料明显提升了焊接强度。

添加剂在塑胶原料组成成分中占据比例较少,但添加剂对塑胶原料的改性性能起到非常重要在作用。增塑剂、润滑剂、抗冲击剂和发泡剂主要是增加塑胶零件成型时的柔软性能和成型性,致使材料硬度和刚性降低,大大抑制塑料分子摩擦发热并吸收了超声波振动能量的传递。因而在这些柔性的添加剂作用下,往往造成焊接困难。当产品有阻燃特性要求时,塑胶原料通过添加阻燃剂来降低材料燃烧性能,阻燃剂在高温作用下会发生强烈的吸热反应,吸收超声波振动的部分热量;同时,阻燃剂在高温下形成玻璃状或稳定的泡沫覆盖层和碳化物,这部分覆盖层阻碍了熔融树脂的熔接;而且阻燃剂在高温作用下,会不断的分解出不可燃气体,致使焊缝中存在微量残余气体,影响产品的超声焊接质量。大多数着色剂并不抑制超声波能量传递,但着色剂一般都是无机化学物,具有不可焊接性,着色剂混合于树脂中,具有耐候性,着色稳定,遇高温不易分解等特性,着色剂含量过高时,零件焊缝熔接树脂就会不足。实验证明,纯原料超声波焊接强度明显优于添加着色剂塑料。

其他因素对塑胶材料超声波焊接性的影响:
(1) 水分。塑胶材料中存在一定含量的水分。塑胶零件在注塑前一般进行高温干燥处理,以便更好的去除水分进行注塑成型,得到质量高稳定性好的零件。但是塑胶内部的水分不可能全部去除,在超声波焊接时,水分遇高温汽化,在焊缝处会留下残余水汽形成气孔,还可能对某些塑胶发生水解反应降解塑胶,大大降低焊接强度并降低焊接质量。因此,需要超声波焊接的零件,在注塑时需要尽量的做去除水分的处理。
(2)脱模剂。脱模剂常用于喷涂在模具模腔内,以利于注塑零件脱出模具。不可避免的脱模剂会转移到注塑的塑胶零件上。脱模剂耐热性能良好,耐温达300℃不发生碳化降解,性能稳定不与树脂发生反应;具有润滑性,转移到焊缝面上会减少摩擦,抑制了振动摩擦发热量;脱模剂在零件表面形成均匀薄膜阻碍树脂的熔接。为了获得良好的焊接性能,在超声焊接前,必须清洗去除零件焊接面处的脱模剂。

由于超声波焊接的影响因素复杂多样,而且超声波本身焊接时间短,焊接后产品难于检测焊接质量,所以为获得高焊接强度和密封要求的合格产品,必须选择合适的超声焊接设备,合理的设计塑胶零件和焊接头的结构,根据塑胶原料的物性表慎重的选择塑꧃胶原料的种类,通过调整焊接设备的焊接工艺参数,掌握超声波的焊接机理,更好地把这项工艺应用到塑胶产品上,提高产品的生产效率。

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