塑料超声波焊接工艺研究进展

1、塑料超声波焊接工艺研究进展高阳 赵云峰(航天材料及工艺研究所 北京 100076文 摘:从焊接设备、 焊接材料、工艺参数等方面综述了塑料超声波焊接质量的进展。选择高频焊接设备、使用低熔点、 高表面摩擦系数的材料, 选择适宜的焊接时间和压力, 有利于提高焊接质量, 并指出了塑料超声波焊接质量的控制方法和检 测手段的发展方向。关键词 超声波焊接,焊接质量,塑料Development in Research of quality of ultrasonically welded plasticGao Yang Zhao Yunfeng(Aerospace Research Institute of

2、Materials and Processing Technology, Beijing 100076Abstract The paper introduces technique of ultrasonic plastic welding. Factors of welding quality include equipment of welding 、 materials of welding 、 parameters of processing and so on. The equipment that has high frequency and t he materials that

3、 have low melting point and high external frictional coefficient are easy to weld. Primary parameters affecting welding quality are welding time 、 welding pressure 、 amplitude etc. In addition, development of ultrasonic welded technique in plastic field is proposed. It is useful to carrying out work

4、 of ultrasonic plastic welding in future.Keywords ultrasonic welding , welding quality , plastic1 前言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 40KHz 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

5、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 1。塑料超声波焊接技术有时间 短 、表面 无损坏 、 非 焊接 区域不 发 热 等 优 点, 目前已经广泛地应 用于航 空 航天、 仪器仪 表、 食品包装 等 领域 。 迄今为止 , 各国 的研究 者对它 进 行 了 大 量的研究工 作 , 主 要集中 在焊接工艺参数 2 3、焊接 过 程 4和焊接 设备 5等方面, 本文 从焊接设备、焊接材料、工艺参数 三个 方面综述了焊接质量的研究进展 情况 ,并 介绍 了焊接质量控制方 法和检测手段的进展 情况 。2 焊接设备塑料超声波焊接工艺

6、是从 金属 超声波焊接发展起 来 的。 它 最早 是 由美 国 琼斯 等 人 在 1950 年 提出。 19 世纪 60 年代 后 , 美 国 、 日本 、 瑞士 、 英 国 、 德 国 和 前 苏联开始 在 实际 生 产 过 程中 使用 这种 技术。 美 国 的 Brason 、声 能器 材 公司 、 日本 的 海 上电机 株式会社 、 松 下电 气 、 德 国 的 KLN 公司以 及 俄罗斯 、 瑞典都 研制 生 产 了塑料超声波焊接设备, 设备的频 率 一 般 在 20 40kHz 之 间, 功 率 一 般 在 几百瓦 到 几十千瓦之 间 6。 现阶 段焊接设备的研究 主 要集中 在提高

7、焊接 功 率 和频 率 以 及 采 用 新型 振 动 模式 等方面,出 现 了 40KHz 以 上 的超声波 振动 系 统 78, 以 及 横 向 99 、 扭曲 10、 以 及 纵 向 -横 向 11等 复 振动 模式 的设 备, 用 此 设备 来 焊接声发 射特性较差 的材料。 此外 , 田修 波等 12对 塑料超声波的 气 动 加压系 统 进 行 研究,研制压力 可 变 的塑 料超声波焊接 机 , 能 得 到 更好 的焊接质量。3 焊接材料超声波焊接 原则 上可 以 焊接所有的 热 塑 性 塑料。 按照 焊接技术 特性 的 功 能可 以把 高分子材料分 为 三类 1314:( 1 柔 性

8、 材料,指 软 质、低 弹性模 量材料 ; ( 2 刚 性 材料,指高 弹性模 量和低 机械振动 阻尼因 子材料, 例如聚苯乙烯 ( PS 、 聚甲 基 丙烯酸甲酯 ( PMMA 、 聚酰胺 ( PA ; ( 3 所有的高分子 薄膜 、高分子合 成 纤维 、 由 薄膜 和 纤维组 成 的 布 。3.1 焊接材料 物 性 参数一 般来 说 ,塑料超声波 可 焊 性 取决 于 公式 材料 搭 接 宽 度 的 增 加使焊接接 头 强 度 降 低。 因 为 随着搭 接 宽 度 增 加, 焊接接 头 边缘 应 力 集中 增 加, 边缘 出 现 的 微 裂 纹 增 多 ,接 头 强 度 降 低。 Mats

9、uoka21焊接用 层 合法 (Paper-making 和 浸渍 法( impregnation 制备的 玻璃 纤维改 性 PP , 焊接接 头 强 度 都 随着宽 度 增 加 而降 低。3. 4 材料表面 粗糙 度增 加材料表面 粗糙 程 度可 以 降 低声 阻 抗 , 提高表面 能 流密 度 , 从 而 提高 其 焊接质量。 侯旭光 等 22在 PP 包装 袋 的研究 过 程中 发 现 , 采 用表面有 滚 制 花纹 的 膜 材料 能 够 得 到 更 高的焊接质量, 比 表面 光滑 的 PP 膜 的焊接接 头 强 度 提高接 近 一 倍 。3.5 焊接面 到 焊 头 距离材料焊接面 到

10、焊 头 的 距离达 到 半 波 长值 时焊接接 头 强 度 最 大 。 因 为 超声波在塑料 中 传递主 要 是 纵 向波, 最 大纵 向波峰 值 往往 出 现 在 半 波 长 , 距离 接 近半 波 长 时超声波 传递给 焊接 界 面 热能 量 最 多 , 能 得 到 良 好 的焊接接 头 。 针 对不同厚度 的 HS1000 (芳 基 磷 酸 盐 和 粘土 改 性 的 聚苯醚 , 半 波 长 为 3.86cm 进 行 超声波焊接, 结果 发 现 存 在 临界 厚度为 38.6mm , 小 于 临界 厚 度 时焊接接 头 强 度 和 伸长 率 随 厚度 的 增 加 而增 加, 大 于 临界

11、厚度 时焊接接 头 强 度 迅 速 降 低 23。4 工艺参数塑料超声波焊接 包 括 振幅 、 焊接时间、 焊接压力等 许 多 工艺参数, 这 些 工艺参数 以 及参数 之 间的 共 同作 用 都 对 其 焊接质 量有 影响 。4.1 焊接 振幅振幅 是塑料在超声波焊接时 首 要 选择的工艺参数。材料在 特 定 的超声波频 率下 都 有适宜的 振幅 范围 ,表 1 介绍 了 几 种 常 用的塑料在 20KHz 下 所 需 的 振幅 范围 。表 1 超声波焊接 热 塑 性 塑料所 需 的 振幅 范围 16Tab.1 Range of amplitude for ultrasonically we

12、lded thermoplastic材料 振幅范围 /m 材料 振幅范围 /m聚苯乙烯 ( PS 15 30 聚氯乙 稀 (PVC 20 40苯乙烯 -丁二 烯 -丙烯 腈共 聚物 ( ABS 20 30 聚乙烯 ( PE 25 60聚甲 基 丙烯酸甲酯 ( PMMA 20 35 聚丙烯 ( PP 30 60在适宜的 振幅 范围 内 , 振幅 增 加有利于超声波 能 量的 扩散 , 从 而 提高焊接接 头 强 度 。 例如 Sancaktar18在 40m 53m 振幅 范围 内 发 现 PP 焊接 强 度 随 振幅 的 增 加 而 呈 上升 趋势 ; Liu19在 25m 40m 振幅 范围

13、 研究 PP 和 玻璃 纤维 增强聚丙烯 复 合材料,发 现 焊接 强 度 随 振幅 增 加 而增 加 。但 是 振幅对 焊接质量的 影响 并 不 完全满足 上 述 规律 。 Benatar24 25在 1m 60m 振幅 范围 内 研究塑料超声波焊 接, 发 现 非 晶 材料 PS 、 ABS 焊接接 头 强 度 受 振幅 变 化 的 影响 不大 ; 半晶 材料 PE 、 PP 振幅 达 到 25m 后 焊接接 头 强 度 振幅 增 大 而增 加, 小 于 25m 时 恰 好 相反 , 而 且 发 现 振幅为 15m 时塑料的焊接接 头 强 度 值 均 较 大 , 这 点 值 得 注意 。

14、卢彤 26从熔融 层厚度 角 度 进一 步阐 述了 振幅 与 焊接质量的 关 系, 试 验 表 明 熔融 层厚度 随 振幅 增 大 而 略微减小 , 导 致 PS 焊接接 头 的 剪切 强 度 增 加, 弯 曲 强 度 降 低。此外 , 塑料焊接所 需 的 振幅 还受 焊接 形 式 种 类 和焊接设备频 率 的 影响 。 嵌插 和 铆 接所 需 振幅 较 大 , 而 平 面焊所 需 振幅 较 小 。 90kHz 的超声波塑料焊接设备的 振幅 是 27kHz 焊接设备 振幅 的 三 分 之 一, 90kHz 的超声波 能 够 使焊接面 温度 更 快 地 升 高 到 较 高的 值 27。4.2 焊

15、接压力在 其 他 因 素确 定 的 情况 下 , 取 得较 优 焊接接 头 强 度 的焊接压力 存 在一 定 范围 。 例如 Matsuoka22对 玻璃 纤维增强 的 聚丙 烯 复 合材料 搭剪 试样 进 行 了 试 验 研究, 压力 小 于 0.15MPa 接 头 强 度 随 压力 增 大 而增 加, 超 过 0.15MPa 后 接 头 强 度 达 到 一 个 比 较 稳 定 的 状 态 , 约 为 35MPa , 当 焊接压力超 过 0.4MPa , 聚丙烯 会 从 基 体 中 严重 挤 出,焊接接 头 强 度 降 低。焊接压力 对 焊接质量的 影响比 较复 杂 。 周 生 玉 等 28

16、超声波焊接 PP 发 现 , 焊接压力 对 焊接熔融 区 的 厚度 和 取 向 程 度 有 较 大 影响 ,焊接压力 增 加,熔融 层厚度 减小 ,焊接接 头 的 取 向 程 度 增 加, 宏观 表 现 为 焊接压力 增 加,接 头 沿取 向方向的 剪切 强 度 增 加, 垂 直 于 取 向方向的 弯 曲 强 度 降 低。 Harras 等 29超声波焊接 碳 纤维增强聚醚醚酮 复 合材料 板 , 发 现 断裂 韧 性 与 焊接 压力 关 系 图 中 的数 据 点 很 分 散 , 并 通过 红 外 光 谱 和 扫描 电 镜 对 断裂断 面分 析 , 发 现 分子 取 向 对 焊接质量的 影响

17、不 明 显 。 材料 分子 取 向 对 焊接质量的 影响 还 需 进 行 进一 步 的研究。4.3 焊接时间 实 验 证 明 , 要 想 得 到 良 好 的焊接接 头 , 必须 选择适 当 的焊接时间, 过 长 和 过短 的焊接时间 都会 造 成 焊接接 头 强 度 的 下 降 。 Benatar 等 24 25发 现 在 近 程 焊接 PP 、高 密 度 聚乙烯 时,焊接接 头 强 度 随着 焊接时间的 增 加 而增 加, 当 焊接时间超 过 一 定 值 (约 1.5s 后 , 焊接接 头 强 度 开始 下 降 。 ABS 、 PS 在 远 程 焊接 中 出 现类 似 情况 , 转 折 点在

18、 2.4s 附 近 。 超声波焊接 PVC 板 材 16、 PP 包装 袋 21的 正 交 试 验 中 发 现 焊接时间 同样 出 现 转 折 点, 见 图 4 。焊接时间 不 受 材料的 厚度 影响 , 薄膜 的超声波焊接 同样 存 在 较 优 的焊接时间。 吴 德 光 30 对 双 向 拉 伸聚酯 / 低 密 度 聚乙烯 复 合 膜 进 行 了超声波焊接研究, 结果 表 明 焊接时间 对 焊接接 头 质量的 影响规律与 上 述一 致 ,在 0.25s 时焊 缝 热 强 度 和 冷 强 度 均达 到 较 大 值 。4. 4 保 压时间和 保 压压力超声波 停 止后 , 为 了使焊接 试样 相

19、 互紧贴 固化 , 从 而 使 两 工件 能 够 很 好 地 焊接在一起, 需 要 在一 定 时间 内保持 一 定 的压 力, 所 需 的时间和压力 就 是 保 压时间和 保 压压力。 文 献 31保 压时间和 保 压压力 对 焊接接 头 强 度 的 影响 是 正 面的, 但相 对 于 其 它 工艺参数, 保 压时间和 保 压压力 对 焊接接 头 强 度 的 影响很 小 。4.5 焊 头下 降 速 度焊 头下 降 速 度 越 快, 达 到 的焊接接 头 强 度 越 高。 在超声波焊接 过 程中 , 高的 下 降 速 度能 够 得 到 高的接触压力, 有利于焊 接 界 面 紧 密 地 接触和分子

20、 充 分 地 扩散 。 文 献 23表 明 使用 25mm/s 、 50mm/s 、 100mm/s 三 种 焊 头下 降 速 度 来 焊接 HS1000 , 下 降 速 度 增 加 到 100mm/s 的 平均 焊接接 头 强 度 更 高, 达 到 28.38MPa 。5 焊接质量控制和检测塑料超声波焊接的时间 短 、表面 无损 伤 , 对 焊接质量控制和 评价 比 较 困 难 。 目前 焊接质量控制 模式 包 括 时间控制 模式 、 行 程 控制 模式 、 振幅 控制 模式 和 能 量控制 模式 等。 时间控制 模式 是 传 统 的焊接控制 模式 , 通过 达 到 超声时间 就 停 止 焊

21、接的方 式来 控制焊接质量, 这种 方法 结 构简单 , 易 实现; 行 程 控制 模式 是 允 许 功 率 输 出及时间波 动 情况 下 , 通过 控制焊接 过 程中 的 熔 塌 距离 来 控制材料的熔 化 量, 来 保 证 焊接质量 32; 振幅 控制 模式 是利用超声波发 生器 的 电 参量 来 调 节 振动 系 统 的 振幅 输 出, 来 达 到 控制焊接质量的 目 的 33; 能 量控制 模式以 焊接 试样 所 需 能 量 作为 焊接 过 程 控制的 关 键 参数, 胡 振 海 等 开 发了一 套 以 输 入 到 焊件的 实际 能 量 为 关 键 参数的控制系 统 ,使用 此 系 统

22、 对 PMMA 、 PS 等塑料进 行 超声波焊接, 结果 表 明 系 统 运 行 稳 定 , 焊接质量 可靠 34。目前 往往 从接 头 的 外 观 质量和接 头 的力 学 性 能 两 方面进 行 超声波塑料质量 评价 , 常 用方法有超声波检测法、 X 射 线 检 测法、 视觉 检测和 批 量 破 坏试 验 等, 这 些 测 试 方法 都 针 对 焊接 后 的 试样 进 行 , 因 此 取 得最 佳 的焊接质量 需 要 进 行 多 次 试 验 。 近 年来实 时 跟踪 检测焊接质量的方法 成为 研究 热 点, Benetar 等 35发 现 在超声波焊接 过 程中 材料 界 面的 阻 抗

23、与 熔融高分子 流 动 有 密 切 关 系, 以此 为 依据 可 以 在 线监 控焊接质量。 董震 等 36通过对 超声波焊接 过 程中 声 学 系 统 输 入 端 的 电 参数进 行 在 线 检测,超声波 电 信号 能 够 有 效 地 反 映 焊接 过 程 的 变 化 , 为 实现 焊接 过 程 质量控制提 供 了借 鉴 手段。 Ling 等 37利用 输 入 压 电 陶瓷 的 电 阻值 作为 信号 来 监 控超声波焊接接 头 质量, 电 阻值 能 很 好 反 映 在焊接 过 程中 热 塑 性 塑料的 热 -机械行为 , 从 而 达 到对 焊接质量的检测。 Chuah 38、 梁 延 德 3

24、9、 杨 士 勤 40在 靠 近 焊接 界 面的熔 化区 中 心埋 入 热电 偶 , 观察 发 现 焊接 界 面的 温 度 随 焊接时间 变 化 规律 是一 致 的, 温度 先 迅 速 上升短 时间 不 变 后 缓慢 下 降 , 能 够 很 好 的 反 映 在 不同 工艺参数 下温度 的 变 化 情 况 , 为 焊接质量的控制提 供 参 考依据 。6 结束语塑料超声波焊接 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 焊接设备的选择, 高频焊接设备 能 得 到 较 优 的焊接质量, 其 次考虑 材料的 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, 加 入 适量的 增强 材料 能 够 提高焊接质量 ; 第 三 ,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 。随着 超声波焊接技术在塑料 连 接 领域 中 越 来 越 多 的 应 用, 它 逐渐 受 到 塑料加工 成 型 的工 作者 的 重视 。 但 由 于塑料超声波 焊接时间 短 , 焊接 机 理 复 杂 , 焊接质量 难 以 控制, 限 制了超声波焊接工艺在塑料 领域