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影响超声波焊接成功的几个关键因素

2021-05-19 17:06
塑料超声波焊接技术是借助超声波使塑料件接触面的分子快速融合在一起的加热连接方法。利用超声波发生器将低频的电能转化为 20 ~ 40 kHz的 高频电能,电能通过换能器转化为同频率的纵向机械振动 ,这种振动通过调幅器和焊头传递给放置在基座上的焊接试样, 在机械振动引起的动态机械力 作用下使焊接区试样表面温度升高熔化, 挤出形成 一定厚度的熔化层,焊接后在一定时间内保持压力 , 直到熔化层冷却凝固成为可靠的接头 。
 
超声波焊接机有多种配置选择可供选择,包括不同频率选择(15KHz-50Khz),不同功率选择(600W-4800W),以及多种焊接形式,如气动超声波焊接机伺服超声波焊接机,手持焊接机,非标焊接机,超声波金属焊接机等等。
 

下文主要是介绍超声波塑料焊接机的焊接质量影响因素。

 
塑料超声波焊接机制复杂 ,焊接质量受众多因素影响。对材料进行焊接时 ,首先要考虑其可焊性, 低熔点、高表面摩擦系数的材料可得到较优焊接质量, 在适宜的工艺参数下 ,增强材料加入能够提高焊接质量;其次, 超声波的振幅 、焊接时间 、焊接压力是 影响焊接质量的主要工艺参数, 得到较佳焊接质量 的三个工艺参数都存在一定的范围;第三,在焊接界面引入导能筋和连接层能够提高焊接强度。使用导能筋能够连接高熔点的热塑性聚合物 ,使用连接层能够使取向材料及不同类型材料进行焊接。影响超声波焊接成功的因素有很多:模具(包括上焊头和下底模)、频率、材料、焊缝设计、焊接参数和零件注塑等。以下就几个关键的影响因素做深入剖析。
 
一、焊接材料
对于塑料的超声波焊接,只适合对热塑性塑料进行焊接。因为它们可以在特定的温度范围内熔化。而热固性塑料加热时降解,无法利用超声波进行焊接。
 
热塑性塑料的可焊接性,取决于材料刚度或弹性模量,密度、摩擦系数、导热系数、比热容、玻璃化转变温度Tg或熔化温度Tm。
 
一般来说,刚性好的塑料表现出优异的远场焊接性能,因为它们更容易传递振动能量。而弹性模量低的软性塑料,因其会衰减超声波振动,所以较难焊接。而对于超声波铆接或点焊则相反,塑料越软,就越容易铆接或点焊。
 
通常,塑料可分为非结晶(无定形)和结晶两种。超声波能量很容易在非结晶材料中传递,因此非结晶塑料容易进行超声波焊接。而超声波能量不容易在结晶材料中传递,因此焊接结晶塑料时需要更大的振幅和能量,同时也要小心设计焊缝。
 
可进一步影响可焊性的因素有含水率,脱模剂,润滑剂,增塑剂,填料增强剂,颜料,阻燃剂和其它添加剂,以及实际树脂等级。另外,还应注意不同材料之间相容性程度不同。某些材料的特定等级之间才有一定程度的相容性,其余则不相容。
 
最后,还要考虑焊接是近场焊接还是远场焊接。焊头接触零件的位置到焊接筋的距离小于6mm的情况,叫做近场焊接。大于6mm',叫做远场焊接。距离越大,振动衰减越大,焊接就越困难。
延伸阅读:超声波塑料焊接机能焊接哪些材料?


二、超声波塑料焊接机频率
常用的超声波塑料焊接机使用的频率有15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。
需要根据产品尺寸、内部元器件种类、强度和外观等要求,选择适合的焊接频率。一般可以参考以下几个原则:
对于小型和精密的电子产品(内含PCB板以及微电子元件)外壳焊接,使用高频率40Khz焊接机焊接。40Khz焊接机振幅更小,焊接压力也可以最小,能够避免损伤产品内部电子元件。
对于小型且有A类面外观要求的产品。采用40Khz焊接机焊接,因振幅和压力小,能够改善外观。
对于中等尺寸和大尺寸的零件焊接,采用低频15Khz或者20Khz焊接机。
对于较软的材料例如PP,以及刚度较差的薄壁件产品,采用低频大振幅的15Khz焊接机焊接。
对于远场焊接,即焊头距离焊缝位置较远,例如大于12mm时,采用低频大振幅的15Khz焊接机焊接。
20Khz焊接机适合小型到中等尺寸大多数产品的焊接,也是目前使用最为广泛的超声波频率。
 
三、焊接接头设计
影响超声波焊接最关键、最重要的因素是接头设计。当零件处于设计阶段时,工程师应谨慎考虑和评估。焊接接头有多种设计,有各自特点和优势。选择何种设计,取决于塑料类型、零件几何形状、焊接要求、注塑能力以及外观要求等。
 
典型的接头设计:
超声波焊接接头设计
三角导能筋设计。这是超声波焊接中最常用的设计,也是最容易注塑的设计。它的特点是在平面上有一个凸起的小三角,三角顶部是90或60度。因其尖点设计容易引导并集中振动能量,所以叫做导能筋。
超声波焊接接头设计
台阶缝设计,容易注塑成型,上下件可自定位,焊接强度高,熔融材料流入垂直间隙中。
超声波焊接接头设计
沟槽缝设计,上下件可自定位,具有高强度、密封性好的特点,且内外侧无溢料。缺点是要求一定的壁厚。
超声波焊接接头设计
剪切缝设计,一般用于要求高强度密封的较小尺寸的产品焊接,特别适用于结晶性塑料的焊接。
超声波焊接接头设计
为了确定您的产品适合选择哪一种焊缝设计,请咨询超声波厂家工程师或销售人员。

四、工装和模具
一般来说,客户会选择与超声波焊接机相同品牌的工装和模具。实际上,可以自由选择其它品牌提供的工装和模具,只要模具频率与设备相同即可。 模具材料可选择铝合金、钛合金和硬质合金钢。工装材料可选择铝合金、不锈钢和树脂模。如何选择材料,一般要考虑塑料类型、材料玻纤含量、接头结构和尺寸、焊接强度和使用寿命。例如,为了延长寿命,硬质合金钢焊头是一个最佳选择。
超声波焊接模具有限元分析
超声波焊头可用FEA(有限元分析)进行设计和优化,允许工程师在实际制造前评估焊头的振动情况和应力大小。最佳的焊头设计,是具有均匀的输出振幅,以及最小的应力。上图中,左侧图片是优化前焊头设计,振幅输出不均匀。右侧是优化后,输出振幅均匀。

在模具设计和制造中,必须小心谨记对称性——模具对称性是至关重要的。不对称的模具导致非轴向振动。径向振动会大大增加应力,导致模具失效。

好的工装设计也非常重要。工装有两个主要作用:(1)对齐模具下方的零件;(2)刚性支撑焊接区域。刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊缝位置,这也是为什么工装通常是用金属加工件。 为了增加焊头耐磨性,提高使用寿命,可对模具表面进行碳化钨处理或镀铬处理。工装可分段设计,以更好的贴合产品。

五、焊接工艺参数
在焊接过程中,焊接参数会影响焊接结果。这些参数包括振幅、焊接压力、触发压力、焊接距离以及焊接能量。 不同类型的塑料需要不同的振幅大小。振幅可以通过软件中百分比设置进行微调,或者通过更换不同变比的调幅器进行大范围调节。焊接压力可以通过旋钮或者软件设置进行调整。触发压力是指当焊头压住产品后,压力达到某个设定值时,设备开始发超声,该值可通过旋钮或者软件设置进行调整。 超声波焊接过程有几种控制方式: 时间焊接模式,即设定超声波焊接持续时间。 距离焊接模式(位置焊接模式),即设定焊接的距离或者位置。 能量焊接模式,即设定焊接的能量。 不同产品焊接适用不同的焊接模式。例如薄片焊接采用能量焊接模式,尺寸公差大的产品采用距离焊接模式,有高度公差要求的产品采用位置焊接模式。 另外,如果你愿意,可以对焊接过程中的所有参数进行监控,设置参数合格件区间,避免产生意外不良件。
延伸阅读:超声波焊接工艺参数

超声波塑料焊接属于特殊工艺过程。上文从焊接材料 、工艺参数 、焊接面连接形式等方面综述了塑料超声波焊接对焊接质量的影响规律 。低熔点 、高表面摩擦系数的材料容易进行焊接 ,焊接质量主要受焊接时间、压力等因素的影响,导能筋及连接层的引入有利于提高焊接质量,
产品开发初期应与超声波焊接机生产厂商合作,利用设备商在该领域的经验,对产品结构和焊缝设计进行评估,并对样品进行焊接测试。以提高后续大批量生产的良率。